Colesterolo nelle Membrane: Scopri le Funzioni Nascoste e la Struttura Essenziale

Il colesterolo e i suoi metaboliti giocano un ruolo essenziale nel nostro organismo, partecipando ad un gran numero di processi di importanza fondamentale per il nostro benessere. Eppure il colesterolo è conosciuto soltanto per il ruolo deleterio che può avere in condizioni particolari, come uno dei responsabili di quei processi aterosclerotici che sono una delle principali cause di morte nel mondo occidentale.

Il colesterolo appartiene alla classe dei lipidi, ha formula C27H46O e una struttura caratterizzata da quattro anelli legati (condensati) tra loro, un gruppo alcolico sull’anello A e una catena ramificata sull’anello D: si tratta della struttura tipica degli steroli.

Struttura e Funzione del Colesterolo nelle Membrane Cellulari

La storia evolutiva del colesterolo è interessante. Precursori in forma di molecole lineari compaiono già in alcuni organismi unicellulari molto primitivi ma le cellule più complesse degli organismi eucarioti richiedevano molecole più rigide e con strutture particolari. Già nelle prime fasi dell’evoluzione dei procarioti le strutture lineari si chiusero a formare degli anelli, quattro per la precisione: una forma che dava la giusta rigidità alla molecola e le permetteva di inserirsi e legarsi alle code dei lipidi di membrana. Il colesterolo delle cellule animali è quindi essenziale per la corretta organizzazione della membrana cellulare, ne determina la permeabilità e soprattutto permette la formazione di “zattere” lipidiche che costituiscono l’impalcatura sulla quale si organizzano tutta una serie di proteine che hanno funzione di segnalazione e che controllano specifici processi all’interno della cellula, processi che comportano l’attivazione di particolari geni essenziali per lo sviluppo e la corretta funzionalità della cellula e dell’intero organismo. Sono note diverse sindromi malformative dovute a difetti nelle vie di sintesi del colesterolo, con manifestazioni che comportano ritardo mentale e anomalie della crescita, che nei casi più gravi possono essere letali, a testimonianza del ruolo essenziale che il colesterolo riveste nel corretto sviluppo dell’organismo.

La membrana cellulare ha un grande contenuto di proteine, tipicamente circa il 50% del volume della membrana. Queste sono importanti, perché responsabili di varie attività biologiche. Circa un terzo dei geni del lievito codifica specificamente per loro, e questo numero è ancora più alto negli organismi multicellulari.

La rigidità è in una certa misura data dalla presenza di acidi grassi nei fosfolipidi che costituiscono la membrana: i grassi saturi hanno infatti una struttura lineare e permettono uno stretto impacchettamento dei componenti della membrana. Tuttavia i fosfolipidi necessitano anche della presenza di acidi grassi insaturi che con la loro struttura ripiegata non rendono possibile raggiungere la rigidità necessaria. È necessario che sia presente una molecola differente che permetta di organizzare al meglio la membrana.

Le membrane cellulari contengono una varietà di molecole biologiche, in particolare lipidi e proteine. La composizione non è fissa, ma cambia costantemente per fluidità e cambiamenti ambientali, anche più volte durante le diverse fasi di sviluppo cellulare. La fusione delle vescicole intracellulari con la membrana (esocitosi) non solo espelle il contenuto della vescicola ma incorpora anche i componenti della membrana della vescicola nella membrana cellulare.

Il colesterolo si trova normalmente disperso in varia misura nelle membrane cellulari, negli spazi irregolari tra le code idrofobiche dei lipidi di membrana, dove conferisce un effetto irrigidente e rinforzante sulla membrana. Inoltre, la quantità di colesterolo nelle membrane biologiche varia a seconda degli organismi, dei tipi di cellule e persino delle singole cellule.

Effetti del Colesterolo sulla Fluidità della Membrana

Il colesterolo, uno dei componenti principali delle membrane plasmatiche, regola la fluidità dell'intera membrana, il che significa che il colesterolo controlla la quantità di movimento dei vari componenti della membrana cellulare in base alle sue concentrazioni. Alle alte temperature, il colesterolo inibisce il movimento delle catene di acidi grassi fosfolipidici, causando una ridotta permeabilità alle piccole molecole e una ridotta fluidità della membrana. È vero il contrario per il ruolo del colesterolo nelle temperature più fredde. La produzione di colesterolo, e quindi la sua concentrazione, viene sovraregolata (aumentata) in risposta alla temperatura fredda. A temperature fredde, il colesterolo interferisce con le interazioni della catena degli acidi grassi. Agendo come antigelo, il colesterolo mantiene la fluidità della membrana. Il colesterolo è più abbondante negli animali che vivono in climi freddi rispetto a quelli che vivono in climi caldi.

Colesterolo e Segnalazione Cellulare

Queste comunicazioni avvengono attraverso proteine che sono disperse nel doppio strato lipidico, organizzate in complessi che permettono di trasmettere precisi segnali che regolano i processi cellulari.

Sintesi e Regolazione del Colesterolo

Visto il ruolo critico del colesterolo nello sviluppo della cellula non sorprende che il nostro organismo sia in grado di sintetizzare in maniera autonoma la preziosa molecola. Il processo di sintesi parte da una molecola chiave del metabolismo, l’acetil CoA, con diverse unità che sono condensate per azione di specifici enzimi, con formazione successiva di intermedi importanti come il mevalonato, lo squalene, il lanosterolo, per arrivare infine al colesterolo. La quantità prodotta ogni giorno è di circa 1-2 grammi ed è strettamente controllata a livello di alcune reazioni chiave che sono estremamente sensibili ai livelli di colesterolo presente, tanto che un’assunzione elevata di colesterolo con la dieta tende a ridurre la produzione autonoma.

Un altro importante fattore che controlla la sintesi del colesterolo è lo stato energetico della cellula: se la cellula dispone di quantità limitate di ATP la produzione di colesterolo risulterà rallentata. Il colesterolo che proviene dagli alimenti contribuisce in maniera modesta al contenuto complessivo di colesterolo dell’organismo.

Colesterolo come Precursore di Altre Molecole Biologiche

La struttura del colesterolo lo ha reso il precursore ideale per tutta una serie di composti dalle importanti attività biologiche. Nel fegato un complicato processo che coinvolge oltre 14 enzimi utilizza il colesterolo come base per la sintesi degli acidi biliari, composti che riversati nell’intestino, in forma di sali biliari, rendono possibile l’assorbimento dei grassi e delle vitamine liposolubili - A, D E e K - presenti nel cibo. Purtroppo possono anche precipitare formando aggregati solidi che accumulandosi nella cistifellea possono portare a colecistite acuta, una infiammazione che spesso è accompagnata da infezioni batteriche, condizione molto pericolosa che richiede un immediato intervento medico.

Il colesterolo è anche il precursore dei vari ormoni steroidei, sia quelli prodotti dal surrene, aldosterone e cortisolo, sia quelli prodotti dalle gonadi, testosterone, estradiolo, progesterone. Sintesi, azione e metabolismo di questi ormoni sono processi estremamente complessi e, nel caso del cortisolo e degli ormoni sessuali, oltre che controllare specifici processi fisiologici, possono influenzare in maniera rilevante il comportamento del soggetto e la risposta agli stimoli ambientali. Non sorprende che si tratti quindi di processi finemente regolati, in cui giocano un ruolo importante un gran numero di fattori interni e d esterni, non ultima la disponibilità del colesterolo necessario per la sintesi di queste sostanze.

Così il 7-deidrocolesterolo, un precursore del colesterolo, a livello della pelle viene convertito in vitamina D3 - colecalciferolo - per azione della luce solare. A sua volta il colecalciferolo viene convertito nella forma attiva della vitamina D, 1,25-(OH)2D3 o calcitriolo, che grazie alla sua struttura è in grado di legarsi a un recettore del nucleo e partecipare così alla regolazione del metabolismo del calcio e a molti altri processi fisiologici.

Colesterolo e Stile di Vita Moderno

Abbiamo visto che il colesterolo è una molecola essenziale, che in maniera diretta o indiretta partecipa a un gran numero di importanti processi metabolici. La struttura di questa molecola è il frutto di un processo evolutivo lunghissimo durato miliardi di anni, un risultato eccezionale che ha reso il colesterolo una sostanza chiave in processi critici, assolutamente necessari per la sopravvivenza e la riproduzione dell’organismo. Le pressioni che hanno guidato questo processo evolutivo sono quelle legate alla scarsa disponibilità di cibo e alla intensa attività fisica necessaria per procurarselo. Situazioni molto diverse da quelle in cui viviamo oggi, caratterizzate da elevata disponibilità di cibo, spesso molto superiore agli effettivi bisogni, e sedentarietà diffusa. In queste condizioni il nostro organismo può avere difficoltà a mantenere una normale concentrazione di colesterolo, con un aumento dei valori ben oltre i limiti di guardia che, se protratto negli anni rappresenta un importante fattore di rischio per patologie cardiovascolari. Il colesterolo non è certo il cattivo della storia, anzi è essenziale per un buon funzionamento del nostro organismo.

Una cattiva alimentazione, l'obesità, la sedentarietà e una predisposizione genetico familiare possono comunque indurre l'aumento anomalo del colesterolo nel sangue.

Il Ruolo dei Grassi nella Salute Cellulare

Affinché la cellula possa svolgere in modo ottimale le proprie funzioni e comunicare con l’esterno la membrana biologica deve essere sufficientemente fluida ed adattabile. I grassi contenuti negli alimenti che mangiamo vanno a comporre la membrana delle cellule, che è costituita da un doppio strato di molecole grasse, dette fosfolipidi, in cui sono intercalati colesterolo e proteine. L’equilibrio tra queste tipologie di grassi, insieme alla presenza di colesterolo, garantisce una membrana sufficientemente dinamica e flessibile, che facile ed ottimizza il funzionamento cellulare e le interazioni con le molecole esterne.

La membrana biologica rappresenta il concetto chiave per comprendere i collegamenti esistenti tra l’alimentazione e l’infiammazione. A riguardo un ruolo cardine è svolto proprio dai grassi, la cui rilevanza nell’ambito della salute è ormai indiscussa. E’ stato dimostrato, infatti, che un eccesso di grassi saturi contribuisce direttamente allo sviluppo delle patologie epatiche, cardiovascolari e neurodegenerative.

Tra i grassi insaturi ci sono i monoinsaturi, detti anche omega-9, tra cui spicca per importanza l’acido oleico, presente nell’olio di oliva e dalla confermate proprietà protettive a livello cardiovascolare. Inoltre i grassi polinsaturi possono essere a loro volta suddivisi in due classi: gli omega-6 e 3.

Al primo gruppo appartiene l’acido arachidonico, che è contenuto per lo più nei grassi animali e da cui si formano potenti sostanze ad azione vaso-costrittiva, bronco-costrittiva, ipertensiva e pro-infiammatoria. D’altra parte gli omega-3 sono contenuti specialmente nel pesce d’acqua fredda, nelle verdure a foglia verde, in alcuni olii vegetali ed anche negli animali non d’allevamento (selvaggina). Tra questi è possibile citare l’acido alfa linolenico e l’EPA, dal quale si origina il DHA, che è molto abbondante nelle membrane dei neuroni e nella retina. In aggiunta l’EPA ed il DHA producono molecole che mettono un freno ai processi infiammatori, riducono la pressione arteriosa e l’aggregazione delle piastrine, oltre ad intervenire in numerosi altri funzioni. La carenza di grassi omega-3 è particolarmente grave in gravidanza e nei primi mesi di vita del neonato, soprattutto se non è allattato al seno, in quanto il latte materno è ricco di acidi grassi polinsaturi che servono al corretto sviluppo del cervello.

Ciò che conta veramente è il loro equilibrio. In merito si stima che il rapporto ottimale tra gli omega 6 e 3 debba essere intorno al 4:1 o persino inferiore. Ebbene, la membrana delle cellule nei paesi occidentali di regola presenta un rapporto superiore a 10:1. Ciò potrebbe essere una spiegazione della notevole diffusione di patologie su base infiammatoria in queste nazioni. Diversi studi, infatti, hanno osservato che un rapporto equilibrato tra i grassi è protettivo nei confronti dello sviluppo di malattie metaboliche, epatiche (steatosi), infiammatorie croniche (es. artrite reumatoide) e neurodegenerative.

Lipidomica e Controllo del Colesterolo

La lipidomica è uno degli strumenti più importanti per razionalizzare l’eccesso di colesterolo e renderlo anche visibile all’individuo ovvero spiegargli quali sono le abitudini alimentari che possono incidere nell’innalzamento. Nel controllo del colesterolo l’alimentazione e lo stile di vita hanno un ruolo chiave. Un’attenzione alle abitudini quotidiane deve tenere conto che a livello intestinale, la produzione di colesterolo serve a creare le prime particelle lipidiche (chilomicroni), quindi svolge una funzione fisiologica. In presenza di ipercolesterolemia, una quota di colesterolo da ridurre può essere proprio a livello intestinale (tramite l’azione sequestrante di beta glucani e steroli vegetali). L’abitudine di consumare i cibi contenenti steroli o beta-glucani deve essere instaurata. In contemporanea una buona misura è quella dell’utilizzo di antiossidanti naturali, che servono a proteggere il colesterolo da ossidazioni, poiché il vero problema è il colesterolo ossidato.

Tabella: Effetti della Temperatura sul Ruolo del Colesterolo nelle Membrane

Temperatura	Effetto del Colesterolo
Alte Temperature	Inibisce il movimento delle catene di acidi grassi, riducendo la fluidità e la permeabilità.
Basse Temperature	Interferisce con le interazioni della catena degli acidi grassi, mantenendo la fluidità (effetto antigelo).