I fosfolipidi sono una classe di lipidi formati da una molecola di glicerolo esterificata con due acidi grassi e un gruppo fosfato; presentano una testa polare idrofila costituita dal gruppo fosfato e da una molecola di natura alcolica a esso legata e una coda apolare idrofobica formata da due acidi grassi (grassi saturi e grassi insaturi); i fosfolipidi sono, pertanto, molecole anfifiliche.
A livello biologico i fosfolipidi partecipano alla struttura delle membrane cellulari e in particolare alla modificazione della permeabilità selettiva di queste ultime. Per formare le membrane cellulari, le code idrofobiche si accostano una all'altra, lontano dall'acqua, mentre le teste polari idrofile si pongono a contatto con il solvente acquoso.
Glicerofosfolipidi
I glicerofosfolipidi (o fosfogliceridi) sono tutti derivati dallsn-glicerolo-3-fosfato, nel quale il glicerolo (CHOH-CHOH-CHOH) è esterificato in posizione 3 con acido ortofosforico (HPO). Nei glicerofosfolipidi il glicerolo è esterificato in posizione 2 con un acido grasso, mentre in posizione 1 possono essere legati diverse classi di composti; poiché il carbonio 2 è asimmetrico, esistono due stereoisomeri possibili: L e D. In natura i glicerofosfolipidi sono tutti appartenenti alla serie L. In rapporto alla natura della molecola che si lega alla posizione 1 del glicerolo si possono distinguere tre sottoclassi di glicerofosfolipidi: 1,2-di-acil-fosfolipidi, 1-alchil-2-acil-fosfolipidi, 1-alchenil-2-acil-fosfolipidi. La prima sottoclasse comprende fosfolipidi esteri, mentre le altre due fosfolipidi eteri.
Diacil-fosfolipidi
I diacil-fosfolipidi possono essere considerati come derivati dell'acido fosfatidico, nel quale il glicerolo è esterificato in posizione 1 e 2 con acidi grassi e in posizione 3 con acido ortofosforico. L'acido ortofosforico, oltre alla esterificazione con il glicerolo, presenta una seconda esterificazione con un alcol (amminoalcol o un amminoacido con gruppo alcolico o uno zucchero). Di conseguenza i diacil-fosfolipidi vengono indicati con il prefisso fosfatidil-, cui segue il nome del composto esterificato con il gruppo fosfato (es. fosfatidil-colina, fosfatidil-etanolammina, fosfatidil-inositolo). Nei fosfolipidi si trovano due tipi di acidi grassi: quelli saturi, in cui tutti gli atomi di carbonio sono saturi, e quelli insaturi, nei quali sono presenti uno o più doppi legami. L'acido grasso in posizione 2 dei diacil-fosfogliceridi delle membrane cellulari è usualmente insaturo.
Alchil-acil-fosfolipidi
Gli alchil-acil-fosfolipidi presentano un alcol a lunga catena eterificato con l'OH in posizione 1 del glicerolo. Questi composti vengono denominati secondo lo schema 1-alchil-2-acil-glicero-3-fosfo-, seguito dal nome del composto esterificato all'acido ortofosforico.
Il PAF (Platelet-activating factor) 1-O-esadecil-2-acetil-glicero-3-fosfocolina, importante mediatore delle reazioni infiammatorie, appartiene a questo gruppo di glicerofosfolipidi ed è caratterizzato dalla sostituzione dell'acido grasso in posizione 2 con acido acetico.
Alchenil-acil-fosfolipidi
Gli alchenil-acil-fosfolipidi possono essere considerati come derivati dell'acido plasmalogenico, analogo dell'acido fosfatidico, in cui però il glicerolo è eterificato in posizione 1 con un alcol alfa, beta insaturo (alchenile) in luogo dell'acido grasso (legame viniletereo), per cui questi composti vengono denominati plasmalogeni.
I plasmalogeni vengono denominati con il prefisso plasmalogenil- o plasmenil-, seguito dal nome del composto esterificato con l'acido ortofosforico (es. plasmalogenil-etanolammina).
Sfingofosfolipidi
Gli sfingofosfolipidi contengono, al posto del glicerolo, un amminoalcol a lunga catena: la sfingosina (C18). Negli sfingofosfolipidi, il gruppo amminico della sfingosina è legato con legame ammidico al gruppo carbossilico di un acido grasso (formando un composto chiamato ceramide), mentre il suo gruppo ossidrilico è unito con legame estere all'ortofosfato. Il gruppo ortofosfato è a sua volta esterificato con un amminoalcol, generalmente la colina, dando un composto chiamato sfingomielina o ceramide-1-fosforilcolina.
Chimica-fisica dei fosfolipidi I fosfolipidi sono molecole fortemente asimmetriche, caratterizzate dall'avere una voluminosa porzione alifatica apolare (coda), che è costituita dalle catene alifatiche non ramificate degli acidi grassi e della sfingosina, e una più piccola estremità polare (testa), costituita dall'ortofosfato e dal composto alcolico a esso esterificato, che può contenere i gruppi ossidrilico (OH), carbossilico (COOH), amminico (NH2) o lo ione ammonio quaternario (N+(CH)).
Per la loro struttura, i fosfolipidi manifestano proprietà idrofile nella testa e proprietà idrofobiche nella coda, per questo i fosfolipidi risultano sostanze anfipatiche (o anfifiliche). Tuttavia le caratteristiche idrofobiche sono dominanti, per cui i più comuni fosfolipidi sono insolubili in acqua, mentre risultano solubili nei solventi organici non polari (benzene, eteri, triclorometano o cloroformio, tetracloruro di carbonio, ecc.). Infatti, in acqua, a valori neutri di pH, i gruppi carbossilici, ossidrilici o amminici, presenti nelle teste polari, sono dissociati e quindi in grado di solvatarsi, cioè di legare molecole di acqua, attraverso lo stabilirsi di forze elettrostatiche.
Ma, la preponderanza che le catene alifatiche hanno nella molecola dei fosfolipidi non consente la solvatazione totale e quindi una completa solubilità. Questo fa sì che in un sistema acqua-aria, i fosfolipidi tendano a disporsi sulla superficie, con le teste rivolte verso la fase acquosa e le code verso quella gassosa, provocando una diminuzione della tensione superficiale (tensioattività dei fosfolipidi). Immergendo i fosfolipidi in acqua possiamo constatare che le teste di questi interagiranno con l'acqua mentre le code (idrofobiche) si disporranno a forma di micelle in cerchio (per esempio come quando mettiamo del detersivo in acqua) non interagendo con l'acqua. Nonostante l'insolubilità in acqua, i fosfolipidi possono disperdersi in acqua, dando luogo a emulsioni.
I diacil-fosfolipidi contenenti colina, detti genericamente lecitine, sono sostanze bianche, igroscopiche, cerose, molto solubili in etere, in alcol e nei grassi, per cui risultano essere potenti agenti emulsionanti.
Polimorfismo dei fosfolipidi Inoltre, le loro caratteristiche strutturali (forma allungata; marcata asimmetria; carattere polare presente in una porzione ristretta della molecola, con netta suddivisione della porzione polare da quella apolare; possibilità di formare due ordini di legami, interazioni forti tra le teste polari e interazioni deboli tra le code alifatiche) consentono ai fosfolipidi di presentare fasi liquido-cristalline. La fase liquido-cristallina (o di cristallo liquido) è una fase intermedia (o mesofase) tra la fase solida e quella liquida, per cui manifesta alcune proprietà caratteristiche del primo stato (es. disposizione ordinata delle molecole, che si allineano secondo l'asse longitudinale, con tendenza all'allineamento anche dei centri di gravità delle molecole; in contrasto con la disposizione casuale caratteristica dello stato fluido) e alcune del secondo (es. mobilità delle molecole all'interno del piano di allineamento). La proprietà dei fosfolipidi di formare fasi liquido-cristalline è alla base della struttura delle membrane cellulari.
Le fasi liquido-cristalline più frequenti e meglio conosciute formate dai fosfolipidi comprendono: fase lamellare monomolecolare, fase micellare (particelle sferiche), fase esagonale (particelle cilindriche) HI, fase lamellare bimolecolare e fase esagonale invertita HII, a queste vanno aggiunte le meno frequenti fasi cubica e rombica. Il tipo di fasi liquido-cristalline assunte dai singoli fosfolipidi dipende da diversi fattori. In primo luogo da temperatura e concentrazione, quindi dalla forma della molecola, che è data dalla conformazione della testa e della coda e dal loro ingombro sterico. L'ingombro della testa dipende dalla sua carica, dal grado di idrofilia e dalle repulsioni o attrazioni elettrostatiche con le teste delle molecole adiacenti.
Nel caso delle code, la lunghezza e il grado di insaturazione delle catene alifatiche determinano il volume occupato dalla coda fosfolipidica. Infatti, la presenza di un doppio legame in conformazione cis in una delle catene alifatiche causa un inginocchiamento della catena, aumentando l'area occupata dalla molecola. La temperatura ha un'influenza rilevantissima, poiché essa determina il grado di agitazione termica delle catene alifatiche e, quindi, modifica fortemente il volume occupato dalle code.
Le molecole di forma conica, nelle quali la sezione dell'area occupata dalle catene degli acidi grassi è maggiore di quella occupata dalla testa polare (es. fosfatidiletanolammina, plasmeniletanolammina), tendono a formare, quando le condizioni di concentrazione lo consentono, fasi HII.
Le molecole di forma a cono invertito, nelle quali la sezione dell'area occupata dalla parte apolare è inferiore a quella occupata dalla testa polare, formano micelle e fasi HI. Appartengono a questo gruppo soltanto i gangliosidi (glicosfingofosfolipidi) e i lisofosfolipidi, che sono prodotti dall'idrolisi dei fosfolipidi da parte delle fosfolipasi e quindi possiedono un solo acido grasso.
Le molecole di forma cilindrica, in cui le sezioni delle aree occupate dagli acidi grassi e quelle della testa sono simili (es. fosfatidilcolina), formano lamine bimolecolari.
La possibilità di una singola specie fosfolipidica di presentare diverse fasi liquido-cristalline viene indicata come polimorfismo dei fosfolipidi.
Nelle emulsioni coesistono la fase liquida dell'acqua e la fase liquido-cristallina dei fosfolipidi, le cui caratteristiche variano, a parità di pressione, con la concentrazione e la temperatura. In un generico sistema fosfolipide/acqua, aumentando progressivamente la concentrazione, si osserva una successione di fasi liquido-cristalline.
Inizialmente, i fosfolipidi si dispongono sulla superficie libera della dispersione, dove formano domini di spessore monomolecolare, in cui le molecole del fosfolipide non sono distribuite casualmente, ma si dispongono, come accennato sopra, parallelamente tra loro e perpendicolarmente alla superficie della dispersione, con le teste polari immerse nella fase acquosa e con le code apolari rivolte verso la fase gassosa soprastante. Il monostrato bidimensionale così formato è più o meno compatto, in funzione delle forze di interazione tra le porzioni alifatiche (fortemente influenzate dalla lunghezza delle catene e dalla presenza di doppi legami), tra le teste polari e tra le teste polari e il solvente.
Insieme al monostrato di superficie, nel sistema coesiste una piccola percentuale di molecole fosfolipidiche in vera e propria soluzione acquosa, in equilibrio dinamico con il monostrato. Le molecole in soluzione assumono una configurazione spaziale tale da permettere la massima esposizione della testa polare e la minima esposizione della coda idrofoba, che tende ad assumere una conformazione ripiegata, compatibilmente con gli angoli di legame della catena alifatica.