Ácido graxo

Representações tridimensionais de vários ácidos graxos. Os ácidos graxos saturados têm uma estrutura de cadeia perfeitamente reta. Os insaturados são tipicamente dobrados, a menos que tenham uma configuração trans.

Em química, particularmente em bioquímica, um ácido graxo é um ácido carboxílico com uma cadeia alifática, que pode ser saturada ou insaturada. A maioria dos ácidos graxos de ocorrência natural tem uma cadeia não ramificada de um número par de átomos de carbono, de 4 a 28. Os ácidos graxos são um componente importante dos lipídios (até 70% em peso) em algumas espécies, como microalgas, mas em alguns outros organismos não são encontrados em sua forma autônoma, mas existem como três classes principais de ésteres: triglicerídeos, fosfolipídios e ésteres de colesterol. Em qualquer uma dessas formas, os ácidos graxos são importantes fontes dietéticas de combustível para animais e importantes componentes estruturais para as células.

História

O conceito de ácido graxo (acide gras) foi introduzido em 1813 por Michel Eugène Chevreul, embora ele inicialmente usasse alguns termos variantes: graisse acid e acide huileux ("gordura ácida" e "ácido oleoso").

Tipos de ácidos graxos

Comparação do ácido elaídico trans isomer (top) e do Cis ácido oleico isomer (bottom).

Os ácidos graxos são classificados de várias maneiras: por comprimento, por saturação x insaturação, por teor de carbono par x ímpar e por linear x ramificado.

Comprimento de ácidos graxos

• Os ácidos graxos de cadeia curta (SCFA) são ácidos graxos com caudas alifáticas de cinco ou menos carbonos (por exemplo, ácido butírico).
• Os ácidos graxos de cadeia média (MCFA) são ácidos graxos com caudas alifáticas de 6 a 12 carbonos, que podem formar triglicéridos de cadeia média.
• Os ácidos gordos de cadeia longa (LCFA) são ácidos gordos com caudas alifáticas de 13 a 21 carbonos.
• Os ácidos graxos de cadeia muito longa (VLCFA) são ácidos graxos com caudas alifáticas de 22 ou mais carbonos.

Ácidos graxos saturados

Os ácidos graxos saturados não possuem ligações duplas C=C. Eles têm a fórmula CH₃(CH₂)_nCOOH, para diferentes n. Um importante ácido graxo saturado é o ácido esteárico (n = 16), que quando neutralizado com hidróxido de sódio é a forma mais comum de sabão.

Ácido araquídico, ácido gordo saturado

Ácidos graxos insaturados

Os ácidos graxos insaturados têm uma ou mais ligações duplas C=C. As ligações duplas C=C podem dar isômeros cis ou trans.

Cis

A Cis configuração significa que os dois átomos de hidrogênio adjacentes à dupla ligação ficar para fora no mesmo lado da cadeia. A rigidez da dupla ligação congela a sua conformação e, no caso do Cis isômero, faz com que a cadeia se dobre e restringe a liberdade conformacional do ácido gordo. Quanto mais ligações duplas a cadeia tem Cis configuração, menos flexibilidade que tem. Quando uma cadeia tem muitos Cis obrigações, torna-se bastante curvado em suas conformações mais acessíveis. Por exemplo, o ácido oleico, com uma ligação dupla, tem um "pele" nele, enquanto o ácido linoleico, com duas ligações duplas, tem uma curva mais pronunciada. Ácido α-Linolénico, com três ligações duplas, favorece uma forma enguiada. O efeito disso é que, em ambientes restritos, como quando os ácidos graxos fazem parte de um fosfolipídico em uma bicamada lipídica ou triglicerídeos em gotículas lipídicas, as ligações cis limitam a capacidade de ácidos graxos serem embalados de perto e, portanto, podem afetar a temperatura de fusão da membrana ou da gordura. Os ácidos graxos insaturados, no entanto, aumentam a fluidez da membrana celular, enquanto os ácidos graxos trans insaturados não.

trans

A trans configuração, por contraste, significa que os dois átomos de hidrogênio adjacentes estão sobre em frente lados da cadeia. Como resultado, eles não fazem a cadeia curvar muito, e sua forma é semelhante a ácidos gordos saturados retos.

Na maioria dos ácidos graxos insaturados que ocorrem naturalmente, cada ligação dupla tem três (n-3), seis (n-6) ou nove (n-9) átomos de carbono depois dela, e todas as ligações duplas têm uma configuração cis. A maioria dos ácidos graxos na configuração trans (gorduras trans) não são encontrados na natureza e são o resultado do processamento humano (por exemplo, hidrogenação). Alguns ácidos graxos trans também ocorrem naturalmente no leite e na carne de ruminantes (como bovinos e ovinos). São produzidos, por fermentação, no rúmen desses animais. Eles também são encontrados em produtos lácteos de leite de ruminantes e também podem ser encontrados no leite materno de mulheres que os obtiveram de sua dieta.

As diferenças geométricas entre os vários tipos de ácidos gordos insaturados, bem como entre ácidos gordos saturados e insaturados, desempenham um papel importante nos processos biológicos e na construção de estruturas biológicas (como as membranas celulares).

Ácidos graxos de cadeia par x ímpar

A maioria dos ácidos graxos são de cadeia par, por ex. esteárico (C18) e oleico (C18), o que significa que são compostos por um número par de átomos de carbono. Alguns ácidos graxos têm números ímpares de átomos de carbono; eles são referidos como ácidos graxos de cadeia ímpar (OCFA). Os OCFA mais comuns são os derivados saturados C15 e C17, ácido pentadecanóico e ácido heptadecanóico, respectivamente, que são encontrados em produtos lácteos. Em um nível molecular, os OCFAs são biossintetizados e metabolizados de maneira ligeiramente diferente dos parentes de cadeia par.

Nomenclatura

Numeração do átomo de carbono

Numeração de átomos de carbono. O sistemático (IUPAC) C-x os números estão em azul. O omega-minus "ω−x"As etiquetas estão em vermelho. As letras gregas estão em verde. Note que ácidos graxos insaturados com um Cis configuração são realmente "curto" em vez de reto como mostrado aqui.

A maioria dos ácidos graxos de ocorrência natural tem uma cadeia não ramificada de átomos de carbono, com um grupo carboxila (–COOH) em uma extremidade e um grupo metil (–CH3) na outra extremidade.

A posição de cada átomo de carbono no esqueleto de um ácido graxo é geralmente indicada contando a partir de 1 na extremidade −COOH. O número de carbono x é frequentemente abreviado C-x (ou às vezes Cx), com x = 1, 2, 3, etc. Este é o esquema de numeração recomendado pela IUPAC.

Outra convenção usa letras do alfabeto grego em sequência, começando com o primeiro carbono depois do grupo carboxila. Assim, o carbono α (alfa) é C-2, o carbono β (beta) é C-3 e assim por diante.

Embora os ácidos graxos possam ter comprimentos diversos, nesta segunda convenção o último carbono da cadeia é sempre rotulado como ω (ômega), que é a última letra do alfabeto grego. Uma terceira convenção de numeração conta os carbonos dessa extremidade, usando os rótulos "ω", "ω−1", "ω−2". Como alternativa, o rótulo "ω−x" é escrito "n−x", onde o "n" destina-se a representar o número de carbonos na cadeia.

Em qualquer esquema de numeração, a posição de uma ligação dupla em uma cadeia de ácido graxo é sempre especificada pelo rótulo do carbono mais próximo da extremidade carboxila. Assim, em um ácido graxo de 18 carbonos, uma ligação dupla entre C-12 (ou ω-6) e C-13 (ou ω-5) é chamada de "at" posição C-12 ou ω−6. A nomenclatura IUPAC do ácido, como "ácido octadec-12-enóico" (ou a variante mais pronunciável "ácido 12-octadecanóico") é sempre baseada no "C" numeração.

A notação Δ^x,y,... é tradicionalmente usada para especificar um ácido graxo com ligações duplas nas posições x,y,.... (A letra grega maiúscula "Δ" (delta) corresponde ao romano "D", para Dligação dupla). Assim, por exemplo, o ácido araquidônico de 20 carbonos é Δ^5,8,11,14, o que significa que possui ligações duplas entre os carbonos 5 e 6, 8 e 9, 11 e 12 e 14 e 15.

No contexto da dieta humana e do metabolismo da gordura, os ácidos graxos insaturados são frequentemente classificados pela posição da ligação dupla mais próxima do carbono ω (somente), mesmo no caso de ligações duplas múltiplas, como os ácidos graxos essenciais. Assim, ácido linoléico (18 carbonos, Δ^9,12), ácido γ-linolênico (18 carbonos, Δ^6,9,12) e ácido araquidônico (20- carbono, Δ^5,8,11,14) são todos classificados como "ω−6" ácidos graxos; significando que sua fórmula termina com –CH=CH–CH
₂–CH
₂–CH
₂–CH
₂–CH
₃.

Os ácidos graxos com um número ímpar de átomos de carbono são chamados de ácidos graxos de cadeia ímpar, enquanto os demais são ácidos graxos de cadeia par. A diferença é relevante para a gliconeogênese.

Nomenclatura de ácidos graxos

A tabela a seguir descreve os sistemas mais comuns de nomeação de ácidos graxos.

Ácidos graxos livres

Quando circulam no plasma (ácidos graxos plasmáticos), não em seu éster, os ácidos graxos são conhecidos como ácidos graxos não esterificados (NEFAs) ou ácidos graxos livres (FFAs). Os FFAs estão sempre ligados a uma proteína de transporte, como a albumina.

Os AGL também se formam a partir de óleos e gorduras alimentares de triglicerídeos por hidrólise, contribuindo para o odor rançoso característico. Um processo análogo ocorre no biodiesel com risco de corrosão da peça.

Produção

Industrial

Os ácidos graxos geralmente são produzidos industrialmente pela hidrólise de triglicerídeos, com a remoção do glicerol (ver oleoquímicos). Os fosfolípidos representam outra fonte. Alguns ácidos graxos são produzidos sinteticamente pela hidrocarboxilação de alcenos.

Por animais

Nos animais, os ácidos graxos são formados a partir de carboidratos predominantemente no fígado, tecido adiposo e glândulas mamárias durante a lactação.

Os carboidratos são convertidos em piruvato pela glicólise como o primeiro passo importante na conversão de carboidratos em ácidos graxos. O piruvato é então descarboxilado para formar acetil-CoA na mitocôndria. No entanto, esse acetil CoA precisa ser transportado para o citosol, onde ocorre a síntese de ácidos graxos. Isso não pode ocorrer diretamente. Para obter acetil-CoA citosólica, o citrato (produzido pela condensação de acetil-CoA com oxaloacetato) é removido do ciclo do ácido cítrico e transportado através da membrana mitocondrial interna para o citosol. Lá ele é clivado pela ATP citrato liase em acetil-CoA e oxaloacetato. O oxaloacetato é devolvido à mitocôndria como malato. A acetil-CoA citosólica é carboxilada pela acetil CoA carboxilase em malonil-CoA, a primeira etapa comprometida na síntese de ácidos graxos.

A malonil-CoA é então envolvida em uma série repetida de reações que alongam a crescente cadeia de ácidos graxos em dois carbonos por vez. Quase todos os ácidos graxos naturais, portanto, têm números pares de átomos de carbono. Quando a síntese está completa, os ácidos graxos livres são quase sempre combinados com glicerol (três ácidos graxos para uma molécula de glicerol) para formar triglicerídeos, a principal forma de armazenamento de ácidos graxos e, portanto, de energia em animais. No entanto, os ácidos graxos também são componentes importantes dos fosfolipídios que formam as bicamadas fosfolipídicas a partir das quais todas as membranas da célula são construídas (a parede celular e as membranas que envolvem todas as organelas dentro das células, como o núcleo, o mitocôndrias, retículo endoplasmático e aparelho de Golgi).

Os "ácidos graxos não combinados" ou "ácidos graxos livres" encontrados na circulação de animais vêm da degradação (ou lipólise) dos triglicerídeos armazenados. Por serem insolúveis em água, esses ácidos graxos são transportados ligados à albumina plasmática. Os níveis de "ácidos graxos livres" no sangue são limitadas pela disponibilidade de sítios de ligação à albumina. Podem ser captados do sangue por todas as células que possuem mitocôndrias (com exceção das células do sistema nervoso central). Os ácidos graxos só podem ser decompostos nas mitocôndrias, por meio de beta-oxidação seguida de combustão adicional no ciclo do ácido cítrico em CO₂ e água. As células do sistema nervoso central, embora possuam mitocôndrias, não podem retirar os ácidos graxos livres do sangue, pois a barreira hematoencefálica é impermeável à maioria dos ácidos graxos livres, excluindo os ácidos graxos de cadeia curta e os ácidos graxos de cadeia média. Essas células precisam fabricar seus próprios ácidos graxos a partir de carboidratos, conforme descrito acima, para produzir e manter os fosfolipídios de suas membranas celulares e de suas organelas.

Variação entre espécies animais

Estudos sobre as membranas celulares de mamíferos e répteis descobriram que as membranas celulares dos mamíferos são compostas por uma proporção maior de ácidos graxos poliinsaturados (DHA, ácido graxo ômega-3) do que os répteis. Estudos sobre a composição de ácidos graxos de aves observaram proporções semelhantes aos mamíferos, mas com 1/3 a menos de ácidos graxos ômega-3 em comparação com ômega-6 para um determinado tamanho corporal. Essa composição de ácidos graxos resulta em uma membrana celular mais fluida, mas também permeável a vários íons (H⁺ & Na⁺), resultando em membranas celulares com manutenção mais cara. Este custo de manutenção tem sido considerado uma das principais causas para as altas taxas metabólicas e o sangue quente concomitante de mamíferos e aves. No entanto, a poliinsaturação das membranas celulares também pode ocorrer em resposta a temperaturas frias crônicas. Em peixes, ambientes cada vez mais frios levam a um conteúdo cada vez mais alto da membrana celular de ácidos graxos monoinsaturados e poliinsaturados, para manter uma maior fluidez (e funcionalidade) da membrana em temperaturas mais baixas.

Ácidos graxos em gorduras dietéticas

A tabela a seguir apresenta a composição de ácidos graxos, vitamina E e colesterol de algumas gorduras dietéticas comuns.

Reações de ácidos graxos

Os ácidos graxos exibem reações como outros ácidos carboxílicos, ou seja, sofrem esterificação e reações ácido-base.

Acidez

Os ácidos graxos não apresentam grande variação em suas acidez, conforme indicado por seus respectivos pKa. O ácido nonanóico, por exemplo, tem um pK_a de 4,96, sendo apenas ligeiramente mais fraco que o ácido acético (4,76). À medida que o comprimento da cadeia aumenta, a solubilidade dos ácidos graxos na água diminui, de modo que os ácidos graxos de cadeia mais longa têm efeito mínimo sobre o pH de uma solução aquosa. Perto do pH neutro, os ácidos graxos existem em suas bases conjugadas, ou seja, oleato, etc.

Soluções de ácidos graxos em etanol podem ser tituladas com solução de hidróxido de sódio usando fenolftaleína como indicador. Esta análise é usada para determinar o teor de ácidos graxos livres das gorduras; ou seja, a proporção dos triglicerídeos que foram hidrolisados.

A neutralização de ácidos graxos, uma forma de saponificação (fabricação de sabão), é uma rota amplamente praticada para sabões metálicos.

Hidrogenação e endurecimento

A hidrogenação de ácidos graxos insaturados é amplamente praticada. As condições típicas envolvem 2,0–3,0 MPa de pressão H₂, 150 °C e níquel suportado em sílica como catalisador. Este tratamento proporciona ácidos graxos saturados. A extensão da hidrogenação é indicada pelo número de iodo. Os ácidos graxos hidrogenados são menos propensos à rancificação. Como os ácidos graxos saturados têm ponto de fusão mais alto que os precursores insaturados, o processo é chamado de endurecimento. Tecnologia relacionada é usada para converter óleos vegetais em margarina. A hidrogenação de triglicerídeos (vs ácidos graxos) é vantajosa porque os ácidos carboxílicos degradam os catalisadores de níquel, proporcionando sabões de níquel. Durante a hidrogenação parcial, ácidos graxos insaturados podem ser isomerizados da configuração cis para trans.

Uma hidrogenação mais forçada, ou seja, usando pressões mais altas de H₂ e temperaturas mais altas, converte ácidos graxos em álcoois graxos. Álcoois graxos são, no entanto, mais facilmente produzidos a partir de ésteres de ácidos graxos.

Na reação de Varrentrapp, certos ácidos graxos insaturados são clivados em álcali fundido, uma reação que foi, em um ponto do tempo, relevante para a elucidação da estrutura.

Auto-oxidação e ranço

Os ácidos graxos insaturados e seus ésteres sofrem auto-oxidação, que envolve a substituição de uma ligação C-H por uma ligação C-O. O processo requer oxigênio (ar) e é acelerado pela presença de vestígios de metais, que servem como catalisadores. Ácidos graxos duplamente insaturados são particularmente propensos a esta reação. Os óleos vegetais resistem um pouco a esse processo porque contêm antioxidantes, como o tocoferol. Gorduras e óleos geralmente são tratados com agentes quelantes, como ácido cítrico, para remover os catalisadores metálicos.

Ozonólise

Os ácidos graxos insaturados são suscetíveis à degradação pelo ozônio. Esta reação é praticada na produção de ácido azelaico ((CH₂)₇(CO₂H)₂) a partir do ácido oleico.

Circulação

Digestão e ingestão

Os ácidos graxos de cadeia curta e média são absorvidos diretamente no sangue através dos capilares intestinais e viajam pela veia porta da mesma forma que outros nutrientes absorvidos. No entanto, os ácidos graxos de cadeia longa não são liberados diretamente nos capilares intestinais. Em vez disso, eles são absorvidos pelas paredes gordurosas das vilosidades intestinais e se reagrupam novamente em triglicerídeos. Os triglicerídeos são revestidos com colesterol e proteína (revestimento proteico) em um composto chamado quilomícron.

De dentro da célula, o quilomícron é liberado em um capilar linfático chamado lácteo, que se funde em vasos linfáticos maiores. É transportado pelo sistema linfático e pelo ducto torácico até um local próximo ao coração (onde as artérias e veias são maiores). O ducto torácico esvazia os quilomícrons na corrente sanguínea através da veia subclávia esquerda. Neste ponto, os quilomícrons podem transportar os triglicerídeos para os tecidos onde são armazenados ou metabolizados para energia.

Metabolismo

Os ácidos graxos são decompostos em CO₂ e água pelas mitocôndrias intracelulares por meio da oxidação beta e do ciclo do ácido cítrico. Na etapa final (fosforilação oxidativa), as reações com oxigênio liberam muita energia, captada na forma de grandes quantidades de ATP. Muitos tipos de células podem usar glicose ou ácidos graxos para esse propósito, mas os ácidos graxos liberam mais energia por grama. Os ácidos graxos (fornecidos pela ingestão ou pela extração de triglicerídeos armazenados nos tecidos adiposos) são distribuídos às células para servir como combustível para a contração muscular e o metabolismo geral.

Ácidos graxos essenciais

Os ácidos graxos que são necessários para uma boa saúde, mas não podem ser produzidos em quantidade suficiente a partir de outros substratos e, portanto, devem ser obtidos dos alimentos, são chamados de ácidos graxos essenciais. Existem duas séries de ácidos graxos essenciais: uma tem uma ligação dupla a três átomos de carbono da extremidade metil; o outro tem uma ligação dupla a seis átomos de carbono da extremidade metil. Os seres humanos não têm a capacidade de introduzir ligações duplas em ácidos graxos além dos carbonos 9 e 10, contados a partir do lado do ácido carboxílico. Dois ácidos graxos essenciais são o ácido linoléico (LA) e o ácido alfa-linolênico (ALA). Esses ácidos graxos são amplamente distribuídos em óleos vegetais. O corpo humano tem uma capacidade limitada de converter ALA em ácidos graxos ômega-3 de cadeia mais longa - ácido eicosapentaenóico (EPA) e ácido docosahexaenóico (DHA), que também podem ser obtidos de peixes. Os ácidos graxos ômega-3 e ômega-6 são precursores biossintéticos de endocanabinóides com propriedades antinociceptivas, ansiolíticas e neurogênicas.

Distribuição

Os ácidos graxos do sangue assumem formas distintas em diferentes estágios da circulação sanguínea. Eles são absorvidos pelo intestino em quilomícrons, mas também existem em lipoproteínas de densidade muito baixa (VLDL) e lipoproteínas de baixa densidade (LDL) após o processamento no fígado. Além disso, quando liberados dos adipócitos, os ácidos graxos existem no sangue como ácidos graxos livres.

Propõe-se que a mistura de ácidos graxos exsudados pela pele dos mamíferos, juntamente com o ácido lático e o ácido pirúvico, seja distinta e permita que os animais com olfato apurado diferenciem os indivíduos.

Pele

O estrato córneo – a camada mais externa da epiderme – é composto por corneócitos terminalmente diferenciados e enucleados dentro de uma matriz lipídica. Juntamente com o colesterol e as ceramidas, os ácidos graxos livres formam uma barreira impermeável à água que evita a perda de água por evaporação. Geralmente, a matriz lipídica epidérmica é composta por uma mistura equimolar de ceramidas (cerca de 50% em peso), colesterol (25%) e ácidos graxos livres (15%). Ácidos graxos saturados com 16 e 18 carbonos de comprimento são os tipos dominantes na epiderme, enquanto ácidos graxos insaturados e ácidos graxos saturados de vários outros comprimentos também estão presentes. A abundância relativa dos diferentes ácidos graxos na epiderme depende do local do corpo coberto pela pele. Existem também alterações epidérmicas de ácidos graxos características que ocorrem na psoríase, dermatite atópica e outras condições inflamatórias.

Análise

A análise química de ácidos graxos em lipídios normalmente começa com uma etapa de interesterificação que quebra seus ésteres originais (triglicerídeos, ceras, fosfolipídios etc.) e os converte em ésteres metílicos, que são então separados por cromatografia gasosa ou analisados por gás cromatografia e espectroscopia de infravermelho médio.

A separação de isômeros insaturados é possível por cromatografia de camada fina complementada com íons de prata. Outras técnicas de separação incluem cromatografia líquida de alto desempenho (com colunas curtas empacotadas com gel de sílica com grupos de ácido fenilsulfônico ligados cujos átomos de hidrogênio foram trocados por íons de prata). O papel da prata reside na sua capacidade de formar complexos com compostos insaturados.

Usos industriais

Os ácidos gordos são principalmente utilizados na produção de sabões, tanto para fins cosméticos como, no caso dos sabões metálicos, como lubrificantes. Os ácidos graxos também são convertidos, por meio de seus ésteres metílicos, em álcoois graxos e aminas graxas, que são precursores de surfactantes, detergentes e lubrificantes. Outras aplicações incluem seu uso como emulsificantes, agentes texturizantes, agentes umectantes, agentes antiespuma ou agentes estabilizadores.

Ésteres de ácidos graxos com álcoois mais simples (como ésteres metílicos, etílicos, n-propílicos, isopropílicos e butílicos) são usados como emolientes em cosméticos e outros produtos de cuidados pessoais e como lubrificantes sintéticos. Ésteres de ácidos graxos com álcoois mais complexos, como sorbitol, etilenoglicol, dietilenoglicol e polietilenoglicol, são consumidos em alimentos ou usados para cuidados pessoais e tratamento de água, ou usados como lubrificantes sintéticos ou fluidos para metalurgia.