Energia di ossidazione
Kcal/g
Kj/g
Grassi
9
38
Carboidrati
4
17
Proteine
4
17
Il contenuto di calorie per grammo nei grassi è più di 2 volte superiore a
quello dei carboidrati e delle proteine
I grassi della dieta vengono assorbiti nell’intestino tenue
Struttura molecolare di un chilomicrone
Formazione dei chilomicroni
L’utilizzo degli acidi grassi come combustibili richiede tre stadi
di trasformazione
1) I lipidi devono essere mobilizzati. In questo processo i triacilgliceroli
vengono degradati ad acidi grassi e glicerolo, che vengono rilasciati dal
tessuto adiposo e trasportati ai tessuti che richiedono energia.
2) Gli acidi grassi devono quindi essere attivati e trasportati nei mitocondri
per la degradazione.
3) Nei mitocondri gli acidi grassi vengono degradati in modo graduale in
acetil CoA, che poi viene ossidato nel ciclo dell’acido citrico.
Il primo passaggio nell’utilizzazione dei grassi come fonte di energia è
l’idrolisi dei trigliceridi da parte di una lipasi:
L’attività della lipasi è regolata dall’AMP ciclico
Glucagone e adrenalina attivano le lipasi
Mobilizzazione dei triacilgliceroli
Via di ingresso del glicerolo nella glicolisi
Prima di essere ossidati gli acidi grassi vengono legati al coenzima A
L’adenosina trifosfato (ATP) favorisce la formazione di un legame tioestere
tra il gruppo carbossilico di un acido grasso e il gruppo sulfidrilico del CoA.
La reazione avviene in due tappe:
L’attivazione di un acido grasso avviene in due tappe
Questa reazione di attivazione avviene sulla membrana mitocondriale esterna ed
è catalizzata dall’enzima acilCoA sintetasi.
Acido grasso +CoA + ATP + H2O Æ AcilCoA + AMP + 2 Pi
ΔG0’= -32 5 Kj/mole
La carnitina trasporta gli acidi grassi attivati nella matrice mitocondriale
Enzimi: Carnitina aciltransferasi I e II
Ingresso degli acidi grassi nei mitocondri attraverso il trasportatore
acil-carnitina/carnitina
L’acil carnitina translocasi
Fasi dell’ossidazione degli acidi grassi
Formazione di un doppio legame
Il doppio legame viene idratato per
aggiungere un atomo di ossigeno
L’alcol viene ossidato a un chetone
L’acido grasso viene scisso dal CoA
per formare AcetilCoA e una catena
di acido grasso di 2 atomi più corta
La via di ossidazione degli acidi grassi (β ossidazione)
La via di ossidazione degli acidi grassi (β ossidazione)
L’equivalente di 2 molecole di ATP viene consumato nell’attivazione del palmitato
(ATP scisso a AMP e 2 molecole di Pi), pertanto:
L’ossidazione completa di una molecola di palmitato produce 106 molecole di ATP
Gli orsi ossidano i loro grassi durante il letargo
Con un acido grasso con numero pari di atomi di carbonio, durante l’ultima
tappa della β-ossidazione un acetoacetil-SCoA è scisso in 2 Acetil-SCoA
O
O
O
CH3 - C - CH2 - C - SCoA + CoASH ¿ 2 CH3 - C- SCoA
Acetoacetil-CoA
Acetil-CoA
Enzima: tiolasi
La maggior parte dei lipidi presenti in natura contiene acidi grassi con un
numero pari di atomi di carbonio
Gli acidi grassi a catena dispari sono presenti in quantità significative nei
lipidi delle piante e in alcuni organismi marini
Il propionil-SCoA e l’acetil-SCoA sono i prodotti finali della β-ossidazione
quando viene ossidato un acido grasso a numero dispari di atomi di carbonio.
O
O
CH3 - CH2 - C - SCoA
Propionil-CoA
CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - C - SCoA
O
CH3 - C - SCoA
Acetil-CoA
L’ossidazione degli acidi grassi a catena dispari ha bisogno di altri tre enzimi
Struttura del coenzima B12
Formazione di un radicale 5’-deossiadenosilico
La reazione della metilmalonil CoA mutasi
comincia con la scissione omolitica del
legame che unisce lo ione Co3+ a un atomo di
C del ribosio della porzione adenosinica.
La
scissione
genera
un
radicale
5’deossiadenosilico e determina la riduzione
del Co3+ a Co2+.
Il ruolo del coenzima B12 nelle migrazioni
intramolecolari è quello di fungere da
sorgente di radiclai liberi per l’estrazione di
atomi di idrogeno.
Una proprietà essenziale del coenzima è la
debolezza del legame cobalto-carbonio, la
cui facile scissione genera un radicale
Formazione di succinil CoA mediante una reazione di riarrangiamento
Il radicale libero generato dal coenzima B12 estrae un atomo di idrogeno nel
riarrangiamento del metilmalonil CoA a succinil CoA
Ossidazione di un acido grasso monoinsaturo
L’ossidazione richiede un altro
enzima, l’enoil-CoA isomerasi,
che modifica la posizione del
doppio legame convertendo
l’isomero cis nell’isomero trans.
L’intermedio normale della β
ossidazione.
Ossidazione di un acido grasso poliinsaturo
L’ossidazione richiede oltre
all’enoil-CoA isomerasi, un
secondo enzima ausiliario la 2,4dienol-CoA reduttasi NADPHdipendente.
Ossidazione di un acido grasso poliinsaturo (b)
L’ossidazione richiede oltre
all’enoil-CoA isomerasi,un
secondo enzima ausiliario:
la 2,4-dienol-CoA reduttasi
NADPH-dipendente.
L’azione combinata di
questi due enzimi converte
l’intermedio trans-Δ2,cis-Δ4dienoil-CoA in trans-Δ2enoil-CoA,
che
può
proseguire
nella
β
ossidazione.
Per l’ossidazione di qualsiasi acido grasso polinsaturo sono sufficienti 2
enzimi addizzionali
I doppi legami in posizione dispari sono convertiti dall’isomerasi;
I doppi legami in posizione pari dalla riduttasi e dall’isomerasi.
Regolazione allosterica dell’ossidazione degli acidi grassi
Il
malonil-CoA,
il
primo
intermedio
della
biosintesi
citosolica degli acidi grassi a
catena lunga a partire da acetilCoA, inibisce la carnitina
aciltransferasi
I,
impedendo
l’accesso degli acil CoA alla
matrice
mitocondriale
nei
momenti di abbondanza.
Regolando
l’acetil
CoA
carbossilasi,
che
sintetizza
malonil CoA, è possibile regolare
in modo coordinato la sintesi e la
degradazione degli acidi grassi
Il malonil-CoA aumenta quando
l’animale è ben rifornito di
carboidrati.
Regolazione ormonale:
Adrenalina e glucagone ½ mobilitazione e rilascio di acidi grassi (+ lipasi)
L’insulina si oppone a questo effetto
Nelle piante la β ossidazione non è una fonte rilevante di energia metabolica
I mitocondri delle cellule delle piante sono privi degli enzimi della
β-ossidazione.
Durante la germinazione, i triacilgliceroli di riserva sono convertiti in
glucosio e in una varietà di metaboliti essenziali.
Gli acidi grassi sono ossidati a acetil-CoA nei gliossisomi.
L’acetil-CoA viene convertito attraverso il ciclo del gliossilato in precursori a
quattro atomi di carbonio che entrano nella gluconeogenesi.
Confronto tra la β ossidazione mitocondriale e quella perossisomiale e
gliossisomiale
Funzione della β ossidazione nella conversione dei triacilgliceroli in glucosio
nei semi in germinazione.
Acetil - CoA
+ ossalacetato
- ossalacetato
(digiuno, diabete:
l’ossalacetato viene
utilizzato per sintetizzare
glucosio)
Ciclo dell’acido citrico
Formazione di
“corpi chetonici”
Il destino dell’acetil-CoA dipende dalla disponibilità di ossalacetato per formare
citrato (prima reazione del ciclo dell’acido citrico).
Corpi chetonici
Acetoacetato
D-β-idrossibutirrato
Formazione dei corpi chetonici dall’acetil-CoA
Può avvenire anche
non enzimaticamente
Il β-idrossibutirrato come fonte di energia
L’acetoacetato e il D-β-idrossibutirrato
sono trasportati dal sangue ai tessuti
extraepatici dove sono ossidati nel ciclo
dell’acido citrico.
L’acetoacetato e il 3-idrossibutirrato sono
combustibili normali della respirazione e
sono quantitativamente importanti come
fonte energetica
Il muscolo cardiaco e la corteccia renale
impiegano di preferenza l’acetoacetato
anziché il glucosio.
Il glucosio, invece, è il principale
combustibile del cervello e degli eritrociti
negli individui ben nutriti che assumono
una dieta bilanciata. Il cervello si adatta
all’utilizzo di acetoacetato durante il
digiuno e nello stato diabetico
L’acetoacetato può essere considerato una forma solubile e
trasportabile di unità acetile.
Gli acidi grassi vengono rilasciati dal tessuto adiposo e
convertiti in unità acetile dal fegato che poi li esporta sotto
forma di acetoacetato.
Formazione ed esportazione dei corpi chetonici.
Le condizioni che determinano
un aumento della gluconeogenesi
(con sottrazione di ossalacetato
dal ciclo dell’acido citrico)
esaltano
la
conversione
dell’acetil-CoA in acetoacetato
(es.: diabete, digiuno prolungato)
Elevate
concentrazioni
di
acetoacetato
nel
sangue
significano un’abbondanza di
unità acetile e determinano
diminuzione della velocità della
lipolisi nel tessuto adiposo.
Biosintesi degli acidi grassi
Gli acidi grassi sono sintetizzati e degradati attraverso vie differenti
La sintesi degli acidi grassi avviene nel citosol; la degradazione nella matrice
mitocondriale.
Gli intermedi della sintesi sono legati covalentemente ai gruppi sulfidrilici di
una proteina trasportatrice di acili (ACP); gli intermedi della degradazione
sono legati al coenzima A.
La molecola attivata che cede unità bicarboniose nel processo di
allungamento è il malonil-ACP. La reazione di allungamento è favorita dal
rilascio di CO2.
L’agente riducente nella sintesi degli acidi grassi è il NADPH.
Negli animali superiori gli enzimi della sintesi degli acidi grassi sono uniti in
una unica catena polipeptidica detta acido grasso sintasi.
L’allungamento della catena ad opera della acidido grasso sintasi si ferma
alla formazione di palmitato (C16). Ulteriori allungamenti e l’inserzione di
doppi legami sono effettuati da altri sistemi enzimatici.
Il citrato trasporta dai mitocondri
al citosol i gruppi acetile che
vengono usati per la sintesi degli
acidi grassi.
Per ogni acetil CoA trasferito dai
mitocondri al citosol viene prodotta
1 molecola di NADPH.
La formazione di malonil CoA è la tappa di comando nella sintesi degli acidi grassi
La biosintesi degli acidi grassi inizia nel citosol con la formazione di malonil CoA
catalizzata dalla acetil CoA carbossilasi, che contiene biotina.
Come nel caso degli altri enzimi che contengono biotina (es. piruvato carbossilasi) si
forma un intermedio carbossibiotina a spese di ATP
Il gruppo CO2 attivato viene poi trasferito per formare malonil CoA
biotina-enzima + ATP + HCO3- '
CO2-biotina-enzima + ADP + Pi
CO2-biotina-enzima + acetil CoA'
malonil CoA + biotina-enzima
Gli intermedi della sintesi degli acidi grassi sono legati ad una proteina
trasportatrice di acili (ACP); il legame avviene al terminale sulfidrilico di una
fosfopanteteina, lo stesso gruppo presente nel coenzima A.
La proteina che trasporta gli acili
Le tappe della degradazione e della sintesi degli acidi grassi
La sequenza a quattro tappe che allunga la catena acilica nascente di due atomi di
carbonio.
La sintesi del palmitato
I cicli di allungamento si susseguono fino alla formazione di C16-acil-ACP, che
non è più substrato dell’enzima condensante, ma viene idrolizzato a palmitato
e ACP.
Sequenza delle reazioni che avvengono durante la sintesi di un acido grasso
Il complesso dell’acido grasso sintasi è
mostrato in modo schematico sotto
forma di un disco. Ogni segmento del
disco rappresenta una delle sei attività
enzimatiche del complesso. Al centro
del disco si trova la proteina che
trasporta gli acili (ACP), con il braccio
fosfopanteteinico.
Prima tappa
Il gruppo acetilico dell’acetil CoA
viene trasferito al gruppo -SH di un
residuo di cisteina della β-chetoacil
sintasi (KS)
Enzima:
acetil-CoA-ACP transacetilasi (AT)
Seconda tappa
Il gruppo malonile viene trasferito dal
malonil CoA al gruppo -SH dell’ACP
Enzima:
malonil-CoA-ACP transferasi (MT)
Condensazione
Enzima:
β-chetoacil-ACP sitasi (KS), o enzima
condensante
Riduzione
Enzima:
β-chetoacil-ACP reduttasi (KR)
Deidratazione
Enzima:
β-idrossiacil-ACP
(HD)
deidratasi
Riduzione del doppio legame
Enzima:
enoil-ACP reduttasi (ER)
Traslocazione del gruppo
butirrilico sulla Cys della βchetoacil-ACP sintasi (KS)
Enzima:
Nuovamente l’
acetil-CoA-ACP transacetilasi
(AT) che può trasferire gruppi
acile diversi dal gruppo acetile
Secondo ciclo delle reazioni del complesso dell’acido grasso sintasi.
Struttura delle varie acido grasso sintasi
L’acido grasso sintasi dei batteri e
delle piante è un complesso
formato da 7 polipeptidi diversi.
Nel lievito le 7 attività sono riunite
in 2 polipeptidi.
Nei vertebrati tutte le attività sono
su di una sola catena polipeptidica
L’acido grasso sintasi animale
La proteina funzionale è un dimero. Ciascuna delle catene identiche nel dimero contiene
tre domini.
Il dominio 1 (blu) contiene la acetil transferasi (AT), la malonil transferasi (MT) e
l’enzima condensante (CE).
Il dominio 2 (giallo) contiene la proteina trasportatrice di acili (ACP), la β-chetoacil
riduttasi (KR), la deidratasi (DH) e la enoil reduttasi (ER).
Il dominio 3 (rosso) contiene la tioesterasi (TE).
Il gruppo flessibile di fosfopanteteina (verde) trasporta la catena di acido grasso da un
sito catalitico su una catena all’altro, nonché tra le catene nel dimero.
La stechiometria della sintesi del palmitato è:
Acetil CoA + 7 malonil CoA + 14 NADPH + 20 H+ Æ
palmitato + 7 CO2 + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O
L’equazione per la sintesi del malonil CoA è:
7 Acetil CoA + 7 CO2 + 7 ATP Æ
7 malonil CoA + 7 ADP + 7 Pi + 14 H+
La stechiometria complessiva per la sintesi di palmitato è:
8 Acetil CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 6 H+ Æ
palmitato + 14 NADP+ + 8 CoA + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi
Il sistema di trasporto dei gruppi acetilici dai mitocondri al citosol, per la
sintesi degli acidi grassi
L’acetato viene trasportato fuori dai mitocondri sotto forma di citrato
Il NADPH è generato dalla via del pentoso fosfato e dall’enzima malico
La acetil CoA carbossilasi svolge un ruolo essenziale nella regolazione del
metabolismo degli acidi grassi.
Acetil CoA
Acetil CoA
carbossilasi
+ citrato
- palmitoil CoA
+ insulina
- glucagone
Malonil CoA
Acidi grassi
Elevati livelli di citrato indicano che unità a due atomi di carbonio e ATP sono
disponibili per la sintesi degli acidi grassi.
½ ATP inibisce isocitrato deidrogenasi = ½ citrato
Regolazione della sintesi degli acidi grassi