Il colesterolo è una molecola organica appartenente alla classe dei lipidi. e, più nel dettaglio, degli steroli. Riveste un ruolo particolarmente importante nella fisiologia degli animali. La molecola del colesterolo ha una struttura a quattro anelli rigidi ed è un costituente insostituibile delle membrane cellulari animali, oltre a essere un precursore degli ormoni steroidei, della vitamina D e degli acidi biliari. In patologia concorre alla formazione dei calcoli biliari e degli ateromi.
La concentrazione di tale sostanza nel sangue è detta colesterolemia; poiché nel sangue il colesterolo è contenuto nelle lipoproteine plasmatiche, si usa, in termini più precisi, far riferimento al colesterolo plasmatico totale, al colesterolo LDL, al colesterolo HDL o al colesterolo non-HDL (che include il colesterolo trasportato da tutte le lipoproteine plasmatiche con l'eccezione delle HDL). I valori della colesterolemia possono essere normali, bassi (ipocolesterolemia) o elevati (ipercolesterolemia), condizioni queste ultime potenzialmente pericolose per la salute umana.
Livelli elevati di lipoproteine plasmatiche ricche di colesterolo (in particolare LDL) sono considerati tra i più importanti fattori di rischio cardiovascolare e possono provocare malattie molto gravi come l'aterosclerosi, in quanto esse si accumulano nelle arterie e avviano una reazione infiammatoria che conduce alla formazione di ateromi, il cui nucleo è ricco di colesterolo. Le placche aterosclerotiche possono provocare l'occlusione dei vasi ed eventualmente la morte nel caso in cui siano interessati distretti vitali (arterie coronarie e cerebrali).
Etimologia e notizie storiche
Il termine "colesterolo" deriva , perché cristallizzabile) uniti al suffisso olo relativo agli alcoli.
Secondo quanto riferisce Antoine-François de Fourcroy (1789), la sua presenza, in forma di scaglie, è stata riscontrata nei calcoli della cistifellea da François Poulletier de La Salle (intorno al 1770) e da Benjamin Gottlob Fridericus Conradi (1775)...
Nel 1815 Michel Eugène Chevreul ha chiamato questa sostanza "colesterina". Il termine "colesterolo" è stato invece utilizzato per la prima volta nel 1894, dopo che Marcellin Berthelot (1859) ne aveva scoperto la natura alcolica.
Julius Vogel nel 1843 ha isolato il colesterolo dagli ateromi e nel 1910 il patologo russo Nikolaj Aničkov scopriva il ruolo leader del colesterolo nello sviluppo dell'aterosclerosi sperimentale..
Lo studioso Friedrich Reinitzer (1888) ne ha definito la formula empirica (C27H46O) e Adolf Otto Reinhold Windaus (1919) quella di struttura, poi corretta nel 1932. Nel 1975 il premio Nobel John Cornforth ne ha chiarito la stereochimica e stabilito la configurazione degli stereocentri.
Caratteristiche chimiche
Il colesterolo è un alcool policiclico alifatico, costituito dal nucleo peri-idro-1,2-ciclopentano-fenantrene (nucleo tetraciclico proprio degli steroidi), con un doppio legame in C5 e una catena laterale isottilica in C17. La desinenza -olo deriva dal fatto che sul C3 del primo anello di atomi di carbonio (anello A) è presente il gruppo ossidrilico -OH. La sua formula bruta è C27H46O. Le sue dimensioni sono 5,2 × 6,2 × 18,9 Å. 1 mmol di colesterolo pesa 386,67 mg. I quattro anelli che costituiscono la molecola sono indicati con le lettere dell'alfabeto (A, B, C, D), hanno tutti una conformazione a sedia e una configurazione stereochimica trans. Il gruppo ossidrilico in C3, i gruppi metilici angolari in C18 e C19 e la catena laterale sono in configurazione cis (posizione β).
Il colesterolo appare come una sostanza solida, non combustibile, quasi inodore, di colore bianco, di consistenza simile a quella della cera, di struttura cristallina. In particolare si trova in due forme cristalline: cristalli aghiformi e cristalli poliedrici (scaglie). Praticamente insolubile in acqua, è modestamente solubile in alcool e molto solubile nei solventi organici (ad esempio cloroformio e benzene), in grassi e oli. La solubilità massima del colesterolo in soluzione acquosa è di soli 1,8 µg/mL o 4,7 μmol/100mL.
La molecola del colesterolo è anfifilica (o anfipatica), in quanto è provvista di un'estremità idrofila, polare, costituita dal gruppo ossidrilico, e di una voluminosa parte idrofobica, non polare, rappresentata dal nucleo tetraciclico rigido e dalla catena laterale flessibile. Per questa sua natura il colesterolo dà luogo, in acqua, a una soluzione micellare (concentrazione micellare critica, o CMC, di 2,5÷4 10-8 M a 25 °C) e presenta a 124 °C una fase liquido-cristallina di tipo smectico.
Il gruppo ossidrilico può formare esteri con gli acidi grassi trasformandosi in colesterolo esterificato, mentre il doppio legame tra C5 e C6 permette reazioni di addizione.
Nel corpo umano il colesterolo è presente sia come alcool non esterificato (anche detto "colesterolo libero"), e in tal caso è una molecola anfipatica, sia come colesterolo esterificato, ovvero come estere del colesterolo (colesteril estere) formatosi per reazione del gruppo ossidrile con un acido carbossilico, nel qual caso l'estere risultante è una molecola completamente apolare. Per la sua insolubilità in acqua, il colesterolo circola nel sangue unicamente in associazione con le lipoproteine plasmatiche.
Funzioni biologiche
Il colesterolo è indispensabile per la vita animale. Può rappresentare un 5‰ dei lipidi dei vertebrati, mentre è un costituente minore nella frazione lipidica delle piante. Nelle piante è stato individuato, specie tra i lipidi superficiali, solo a concentrazioni relativamente basse rispetto ad altri steroli. Il colesterolo è presente nei vegetali come intermedio nel metabolismo secondario. I vegetali possono contenere sostanze lipidiche strutturalmente simili (fitosterine o fitosteroli), che differiscono dal colesterolo per le catene laterali, soprattutto quelle in C24: campesterolo, β-sitosterolo, lanosterolo, isofucosterolo. A causa della presenza delle catene laterali, nelle cellule animali le funzioni del colesterolo non possono essere sostituite dai fitosteroli. I vertebrati sono capaci sia di sintetizzare de novo il colesterolo, sia di utilizzare quello presente nella dieta; al contrario, gli invertebrati sono incapaci di sintesi endogena, ma sono in grado di convertire i fitosteroli in colesterolo attraverso la rimozione (de-alchilazione) della catena in C24. Le più importanti funzioni svolte dal colesterolo sono:
Funzioni strutturali Negli animali il colesterolo è un componente essenziale di: Membrane di tutte le cellule animali, in quanto è l'unica specie lipidica dell'organismo ad avere una struttura ad anelli rigidi, mentre tutti gli altri lipidi di membrana presentano catene idrocarboniose notevolmente flessibili. L'85% del colesterolo libero cellulare si trova nella membrana plasmatica, dove si inserisce per >90% nel foglietto fosfolipidico interno (citoplasmatico) e per il 3÷5% in quello esterno, orientandosi con il gruppo -OH esposto alla superficie, in corrispondenza delle teste polari dei fosfolipidi. In tal modo esso diminuisce la fluidità della membrana (vedi modello a mosaico fluido), proprietà dalla quale dipendono importanti funzioni, ad esempio: permeabilità a piccole molecole idrosolubili; attività dei recettori e degli enzimi di membrana che generano messaggeri intracellulari; stabilità meccanica; formazione di vescicole per il trasporto del loro contenuto ai vari organuli intracellulari.. In particolare, il colesterolo rende le membrane meno permeabili alle piccole molecole; è abbondante nella membrana plasmatica (circa il 50% dei lipidi di membrana è costituita da colesterolo), mentre è scarso (pochi punti percentuali) nelle membrane del reticolo endoplasmatico e dei mitocondri. Poiché il reticolo endoplasmatico è la sede dove vengono assemblate le proteine, il basso contenuto di colesterolo facilita il movimento delle proteine nell'ambito della membrana. Come sarà descritto nel paragrafo sulla biosintesi, le proteine che regolano la sintesi del colesterolo risiedono nel reticolo endoplasmatico e rispondono rapidamente ai cambiamenti della sua concentrazione nella membrana reticolare. Guaina mielinica dei nervi. Crescita e divisione cellulare, soprattutto nei tessuti ad alto turnover (es. epidermide, epiteli). Sviluppo embrionale: le malformazioni di neonati dopo la somministrazione di Contergan alle madri erano causate da un disturbo nella biosintesi di colesterolo; le sindromi da deficit genetico di enzimi della biosintesi del colesterolo sono caratterizzate da malformazioni plurime.
Funzioni metaboliche Il colesterolo costituisce il composto base nei processi di sintesi di: Ormoni steroidei delle ghiandole surrenali (aldosterone, cortisolo) e delle gonadi (testosterone, estradiolo, ecc.).
Vitamina D, sintetizzata nella cute sotto l'azione dei raggi ultravioletti. Acidi biliari, che il fegato secerne con la bile nel duodeno al fine di emulsionare i lipidi alimentari e renderli assorbibili dall'intestino tenue.
Metabolismo
Il contenuto di colesterolo dell'organismo umano è di circa 150 g; l'encefalo da solo ne contiene 30 g. e il plasma circa 8 g. L'uomo produce per biosintesi autonoma la maggior parte del colesterolo necessario (pool endogeno), solo una piccola parte, in media 0,1÷0,3 g (massimo 0,5 g), viene assunta giornalmente con l'alimentazione (pool esogeno). Entrambi i pool sono soggetti a meccanismi regolatori, in modo tale che, in condizioni di equilibrio, la quantità di colesterolo sintetizzata più quella assorbita dagli alimenti corrisponde al colesterolo eliminato con la bile come colesterolo libero (negli adulti circa 800÷1400 mg/die) e come acidi biliari (circa 500 mg/die).. Negli adulti la sintesi endogena giornaliera di colesterolo è quindi tra 1 e 2 g. In particolare, in presenza di una dieta contenente 450 mg/die di colesterolo, la sintesi endogena nell'uomo si aggira intorno a 11÷13 mg/kg/die.
Tutte le cellule dell'organismo sono capaci di sintetizzare colesterolo a partire dall'acetil-coenzima A, ma l'organo centrale del metabolismo del colesterolo è il fegato.
Al fegato giunge il colesterolo esogeno proveniente dall'assorbimento intestinale, veicolato dalle particelle rimanenti dei chilomicroni; a esso si aggiungono il colesterolo endogeno di sintesi epatica, quello derivato dalla captazione delle IDL (intermediate density lipoproteins) e delle LDL (low density lipoproteins) e quello di ritorno dai tessuti periferici tramite le HDL (high density lipoproteins).
La produzione del colesterolo endogeno è regolata dai componenti della dieta, in modo tale che la sua sintesi viene inibita dal colesterolo alimentare; gli acidi grassi trans-insaturi stimolano la sintesi endogena del colesterolo, gli acidi grassi saturi laurico (C12:0), miristico (C14:0) e palmitico (C16:0), pur innalzando la colesterolemia, non hanno effetto sulla sintesi del colesterolo (vedi Colesterolemia - Colesterolo e alimentazione). Negli epatociti il colesterolo è quindi assemblato nelle VLDL (very low density lipoproteins), affinché possa essere trasportato in tutto l'organismo. Il colesterolo epatico viene utilizzato anche per la secrezione di sali biliari e di colesterolo libero (non esterificato) nella bile: il fegato è così l'organo principale in grado di eliminare il colesterolo dall'organismo.