Metabolismo dei lipidi
1
Funzione centrale dei lipidi nel metabolismo
energetico
1)Assorbimento e trasporto degli acidi grassi
1) Ossidazione degli acidi grassi
2) sintesi degli acidi grassi e del colesterolo
2
Inserimento degli
acidi grassi
nel metabolismo
3
formule di struttura
di alcuni acidi grassi
C18
4
TRIACILGLICEROLI ( O TRIGLICERIDI)
5
I triacilgliceroli ( = grassi o trigliceridi)
costituiscono il 90% circa dei lipidi della
dieta e sono la principale forma di accumulo
di energia metabolica negli esseri umani.
6
7
STRUTTURA SCHEMATICA DI UN FOSFOLIPIDE
L’alcol può essere il glicerolo ( alcol a tre atomi di
carbonio ), o etanolamina, colina, serina, inositolo.
8
Azione delle fosfolipasi
(nei veleni di api e
serpenti)
potente detergente che
distrugge le membrane
cellulari
9
FOSFOLIPIDI DI MEMBRANA
Sono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico e
distribuiti agli organelli cellulari da specifiche proteine
PLEP Phospholipid Exchange Proteins, che hanno la
funzione di introdurre o scambiare i fosfolipidi nelle
membrane cellulari, che non possiedono il sistema
enzimatico per la sintesi completa dei fosfolipidi e
quindi devono acquistarli dal RE.
Glicerol-fosfolipide
Glicerofosfolipidi (PtdEtn, PtdCho)
C1= acidi grassi saturi
C2= acidi grassi insaturi a catena lunga
C3= teste polari (Etn, Cho) che vengono attivate prima di essere
attaccate al lipide
Biosintesi della
fosfatidiletanolammina
e della fosfatidilcolina o lecitina.
fosforilazione del gruppo –OH
della colina
il gruppo fosfato della fosfoetanolammina o
della fosfocolina attacca il CTP, formando i
derivati del CDP (=esteri fosforici attivati
del gruppo della testa polare)
il gruppo C3 OH del diacilglicerolo attacca
il gruppo fosforico della CDP-Etn o della
CDP-Cho attivate, liberando CMP e
formando il corrispondente glicerofosfolipide
Sia la fosfatidilcolina che la fosfotidiletanolmina
possono reagire con la serina libera attraverso
una reazione di scambio di base che porta alla
formazione della fosfotidilserina da un lato della
base libera, colina o etanolamina.
I Fosfolipidi funzionano come sostanze surfattanti
LA
DIPALMITOILFOSFATIDILCOLINA
• diminuisce la tensione superficiale del sottile strato
acquoso nei polmoni
• la carenza di questa sostanza causa il collasso dei
polmoni durante la fase dell’ espirazione
16
17
I Plasmalogeni
Sono una sottoclasse degli glicerofosolipidi
Presentano un legame etere al C-1 del glicerolo
Sono i lipidi più abbondanti nelle :
membrane mitocondriali
nel tessuto nervoso
nel tessuto muscolare
un’altra classe di lipidi di membrana
Presentano come struttura centrale un ammino-alcol a catena lunga la sfingosina che si
forma dalla serina più palmitato per condensazione e decarbossilazione ossidativa
Derivati
dall’aminoalcol a
18 atomi di C
La sfingosina n-acetilata forma la N-acil-sfingosina o ceramide
Il ceramide è lo scheletro della sfingomielina (nella mielina che circonda e isola gli assoni)
dei glicosfingolipidi (cerebrosidi e gangliosidi)
19
GLICOSFINGOLIPIDI
-CEREBROSIDI: ceramidi la cui testa polare
è costituita da un singolo residuo glucidico.
-GANGLIOSIDI: ceramidi oligosaccaridi contenenti
acido sialico
Sintesi:
1) sintesi della sfingosina (palmitoil CoA + serina)
2) attacco di carboidrati sul gruppo OH del C1
della sfingosina (ceramide)
Biosintesi del ceramide
reazione di condensazione PLP-dipendente:
chetosfinganina
reazione di riduzione:
sfinganina
trasferimento di un gruppo acile da un
acil CoA alla sfinganina:
acil-sfinganina
ossidazione FAD dipendente:
ceramide
C
E
R
A
M
I
D
E
PtdCho dona il suo gruppo
fosfocolina al ceramide
UDP-glucosio dona
il glucosio
catene
oligosaccaridiche
sfingomielina
(componente
della guaina mielinica)
cerebroside
ganglioside
In tutti gli sfingolipidi:
-il gruppo amminico è acilato
-il gruppo ossidrilico terminale è sostituito
sostituito
acilato
(oligosaccaridi
legati al gruppo
-OH terminale)
I GANGLIOSIDI
sono glicosfingolipidi complessi e costituiscono una frazione
significativa dei lipidi del cervello.
26
Gangliosidi
Sono glicolipidi identificati in alte concentrazioni nelle
cellule dei gangli del sistema nervoso.
In genere, nelle cellule del sistema nervoso, oltre il
50% dell’acido sialico è presente sotto forma di
Gangliosidi
La sigla GM identifica un ganglioside con un solo
residuo di acido sialico.
Il numero che segue alla sigla GM, per esmpio GM1 si
riferisce alla struttura dell’oligosaccaride
Il ganglioside GM1
contiene 5 monosaccaridi legati al ceramide
1 glucosio
2 di galattosio
1 N-acetil galattosammina
1 N-acetil neuramminato
Gangliosidi come recettori di agenti tossici.
-un ganglioside specifico della mucosa intestinale media l’azione
dela tossina del colera, del tetano e di virus influenzali.
Ruolo informazionale
-nelle interazioni cellula-cellula, come elementi di riconoscimento
sulla superficie cellulare.
La sindrome di sofferenza respiratoria e
la malattia di Tay-Sachs sono causate
da un’alterazione del metabolismo dei lipidi.
Gli sfingolipidi vengono
degradati nei lisosomi
da una serie di
reazioni
idrolitiche mediate da
enzimi.
Un difetto ereditario
in uno di questi enzimi
determina una
malattia da accumulo
di sfingolipidi
Malattia di Tay-Sachs
deficienza autosomica recessiva di
esosamminidasi A
accumulo nei neuroni di GM12 sotto forma di
inclusioni simili a conchiglie
i bambini nati con la malattia non mostrano
anormalità fino ad 1 anno
successivamente: ritardo mentale, cecità e
morte all’età di circa 3 anni
un dosaggio sierologico identifica i potenziali
portatori
Malattia di Gaucher
accumulo di glucocerebroside nei tessuti, inizialmente
nei lisosomi e successivamente in tutti i compartimenti
cellulari ed extracellulari.
a causa della mancanza dell’enzima glucocerebrosidasi
non può avvenire l’idrolisi in glucosio e cerebroside
Idrolisi enzimatica dei legami glicosidici
GM1 gangliosidosi
Tay-Sachs
Gaucher
Tra gli organi coinvolti: cervello, fegato e milza
Segno di riconoscimento: accumulo di lipidi nei lisosomi
Malattia di Gaucher
Descrizione clinica
Tipo 1 coinvolgimento scheletrico e presenza di
macrofagi gonfi di lipidi nel midollo osseo
aumento di fegato e milza
assenza di sintomi neurologici
Tipo 2 danno neurologico evidente entro i primi 2
anni di vita
Tipo 3 insorgenza giovanile con problemi neurologici
e scheletrici
progressivi
Digestione dei lipidi, assorbimento e
trasporto
40
41
1- Gli acidi biliari ( = Sali biliari) sono molecole anfipatiche.
2- Sono derivati del colesterolo.
3- FEGATO (sintesi)
CISTIFELLEA (conservazione))
INTESTINO TENUE (secrezione)
42
Strutture dei principali acidi biliari
e dei loro coniugati con la glicina e la taurina
43
Poiché i triacilgliceroli sono insolubili in acqua
e gli enzimi digestivi sono solubili in acqua,
la digestione dei triacilgliceroli avviene all’interfaccia
tra lipide e acqua
Velocità di digestione dei triacilgliceroli:
Movimenti peristaltici
Azione emulsionante degli acidi biliari
44
La lipasi pancreatica:
- catalizza l’idrolisi dei TG nelle posizioni
1 e 3, formando 1,2-diacilgliceroli e 2-acilgliceroli
-la sua attività aumenta quando essa è in contatto con
l’interfaccia lipide-acqua
(ATTIVAZIONE PER INTERFACCIA)
45
Meccanismo di attivazione della
triacilglicerolo lipasi
Il legame all’interfaccia
lipide-acqua necessita della
colipasi pancreatica
complesso
lipasi-colipasi
coperto da un’elica “coperchio”
in assenza di micelle lipidiche
esposizione del sito attivo
46
Anche altre lipasi catalizzano reazioni a livello delle interfacce
Meccanismo di azione della fosfolipasi A2
che contiene un canale idrofobico .
47
La miscela di acidi grassi e di mono- e diacilgliceroli
prodotti dalla digestione lipidica viene assorbita
dalle cellule che rivestono l’intestino tenue (= mucosa
intestinale).
48
All’interno delle cellule intestinali gli acidi grassi
formano complessi con la
proteina che lega gli acidi grassi intestinali (I-FABP)
(aumento di solubilità e protezione dall’effetto detergente)
I-FABP
Palmitato
49
Le principali lipoproteine del plasma hanno struttura globulare
solubilizzare i lipidi idrofobici
hanno 2 ruoli:
trasportare segnali alle cellule
(all’interno, segregati
dall’ambiente acquoso)
50
Combinazioni diverse di lipidi e proteine generano particelle
con differente densità:
Ogni classe di lipoproteine ha una sua funzione specifica
determinata dal suo sito di sintesi, dalla sua composizione
in lipidi e apolipoproteine.
51
Impacchettati dentro le lipoproteine, trigliceridi ed esteri
del colesterolo vengono trasportati ai tessuti:
tess. adiposo (conservati)
trigliceridi
tess. muscolare
(scheletrico e cardiaco)
esteri del colesterolo
dopo idrolisi:
(ossidati)
a tutte le cellule
-costituente delle membrane
-sintesi acidi biliari
-sintesi ormoni steroidei
52
Gli acidi grassi assorbiti dalla mucosa intestinale vengono convertiti in
triacilgliceroli e impacchettati nei chilomicroni
attiva la lipoproteina lipasi nei
capillari del tess. adiposo,
del muscolo scheletrico,
tess. della ghiandola mammaria
La struttura molecolare dei chilomicroni
53
Poiché la utilizzazione di chilomicroni da parte dei vari
tessuti richiede la preliminare idrolisi dei trigliceridi
è la lipoproteina lipasi dei vari distretti tissutali che
decide il loro destino.
condizioni ipercaloriche
lipoproteina lipasi
del tess. adiposo
condizioni di digiuno
lipoproteina lipasi
dei muscoli
54
clatrina
55
Ossidazione degli acidi grassi
(nei mitocondri)
56
Attivazione degli acidi grassi (nel citosol)
Acido grasso + CoA + ATP
Acil-CoA + AMP + PPi
Meccanismo di attivazione catalizzato
dall’acil CoA sintetasi
57
Trasporto attraverso la membrana mitocondriale
Un acil-CoA a catena lunga non può attraversare direttamente
la membrana mitocondriale interna
58
O
OH
(CH3)3N-CH2-CH-CH2-COO- + R-C-SCoA
Carnitina palmitoil transferasi
O
R-C-O(CH3)3N-CH2-CH-CH2-COOAcil-carnitina
+
H-SCoA
59
DEFICIT di CARNITINA TRANSFERASI O TRANSLOCASI
• I sintomi vanno da lievi crampi muscolari a debolezza
di grado elevato e persino alla morte
• Il tessuto muscolare il rene e il cuore sono i tessuti
principalmente interessati
• La debolezza muscolare durante un esercizio fisico
prolungato è un’importante caratteristca di una carenza di
carnitina acil transferasi piochè il il tessuto muscolare fa
affidamento sugli acidi grassi come sorgente di energia a
lungo termine
In questi pazienti gli acidi grassi a catena media
( C8-C10 non richiedono la carnitina per entrare nei
mitocondri , che quindi sono ossidati normalmente
60
β- ossidazione dell’acil-CoA
61
La β-ossidazione avviene mediante quattro reazioni:
1) Formazione di un doppio legame trans-α,β mediata dalla
deidrogenazione catalizzata dal flavoenzima acil CoA
deidrogenasi
ETF rid
ETF oss
ETF ubichinone
ossidoreduttasi oss
ETF ubichinone
ossidoreduttasi rid
L’acil CoA deidrogenasi è legata alla
catena di trasporto degli elettroni
ETF= flavoproteina che trasferisce gli elettroni
62
2) Idratazione del doppio legame da parte dell’ enoilCoA idratasi
i
63
3) Deidrogenazione dipendente da NAD+ mediata dalla
3-L-idrossiacil-CoA deidrogenasi
64
4) Rottura del legame Cα
α-Cβ
β in una reazione di tiolisi in
presenza di CoA catalizzata dalla β-chetoacil-CoA
tiolasi
65
L’ossidazione degli acidi grassi è un processo
altamente esoergonico
Da ogni ciclo: 1 molecola di NADH
1 molecola di FADH2
1 acetil CoA (la sua ossidazione nel ciclo
di Krebs produce:
1 FADH2 e 3 NADH)
Ossidazione del palmitoil CoA (C16):
7 cicli di ossidazione
8 acetil CoA
7 FADH2, 7 NADH, 8 acetil CoA
8 GTP, 24 NADH, 8 FADH2
TOTALE: 31 NADH, 15 FADH2
66
TOTALE: 31 NADH, 15 FADH2
Fosforilazione ossidativa
93 ATP
30 ATP
TOTALE: 123 ATP +
8 GTP
--------------131 ATP
Sottraendo i 2 ATP necessari alla sintesi dell’acil-CoA:
L’ossidazione di una molecola di palmitato porta ad una resa netta di
129 molecole di ATP
67
Metabolismo dei lipidi
68
OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI INSATURI
(contengono doppi legami cis quasi sempre C9-C10)
Problema 1: un doppio legame β,γ
dopo il terzo ciclo di ossidazione il risultante enoil
CoA contiene un doppio legame cis che non è substrato
dell’enoil CoA idratasi.
Problema 2: al quinto ciclo di ossidazione la presenza di
un doppio legame a livello di un atomo di C pari
porta alla formazione di un 2,4 dienoil CoA che non è un
buon substrato dell’enoil CoA idratasi
69
Per degradare gli acidi grassi
enzimi addizionali
insaturi sono
necessari soltanto due
70
doppio legame cis
isomerasi
doppio legame
trans
enoil idratasi
idrossiacil CoA
racemasi
71
Ossidazione degli acidi grassi a catena dispari
si forma propionil CoA che
viene convertito in
succinil CoA
Ciclo dell’acido citrico
72
Il succinil CoA non viene direttamente consumato
dal ciclo dell’acido citrico ma viene prima convertito
in piruvato e poi in acetil CoA
73
Il propionil CoA che proviene dall’ossidazione degli cidi grassi a numero DISPARI di atomi di
carbonio nonché da alcuni amminoacidi, viene convertito a succinil CoA un intermedio del ciclo di
Krebs
metil malonil CoA
carbossilasi
metil malonil CoA
epimerasi
metil malonil CoA
mutasi
La metil malonil CoA mutasi utilizza
un gruppo prostetico 5’ deossiadenosilcobalammina,
un derivato della vitamina B12
74
Deficienza di vit. B12= anemia perniciosa
-diminuizione del numero dei globuli rossi
-deterioramento neurologico
nell’intestino, la glicoproteina fattore intrinseco (che viene
secreta dallo stomaco) si lega specificamente alla vit.B12
e il complesso viene assorbito dalla mucosa intestinale
mediante un recettore.
Il complesso si dissocia e la vit.B12 è trasportata nel circolo
sanguigno legata a proteine plasmatiche dette
transcobalamine.
Insufficiente secrezione di fattore intrinseco piuttosto
che una deficienza nella dieta.
75
Gli acidi grassi vengono ossidati anche nei perossisomi
( fegato, rene , tessuto adiposo, muscolo cardiaco e scheletrico )
Questi organelli sono caratterizzati da elevate concentrazioni dell’ enzima
catalasi
La prima deidratazione richiede una flavoproteina deidrogenasi che trasferisce
elettroni all’O 2 per formare H 2O 2
Gli acil-CoA accorciati, dopo rilascio dai perossisomi, vengono trasformati in acilcarnitina ed accedono alla β ossidazione mitocondriale
Gli acetil-CoA vengono utilizzati per la sintesi degli acidi grassi o del colesterolo nel
citoplasma
76
La ω-ossidazione
• avviene negli acidi grassi a media catena che vengono
ossidati a livello del -CH3 ( ω ) terminale
• il processo è catalizzato da una monoossigenasi microsomiale
che richiede O2 NADPH (H+) e il citocromo P450 che
trasforma gli acidi grassi monocarbossilici in acidi grassi α,β
βbicarbossilici
• questi possono essere accorciati nel processo della β-ossidazione
In alcune malattie congenite da deficienza di enzimi della ββ
ossidazione e nelle uirne di soggetti chetosici, si può
riscontrare la presenza di questi acidi bicarbossilici: acidosi
chetosica dicarbossilica
77
ACIDI GRASSI A CATENA RAMIFICATA
• è’ un processo ossidativo che richiede l’azione combinata
della α e della β-ossidazione
• interessa in particolare l’acido fitanico che si forma
nell’organismo per ossidazione del fitolo componenete della
clorofilla presente nelle verdure e nel latte bovino
• Il morbo di Refsum è un difetto genetico in cui è assente la
monossiggenasi fitanato α-idrossilasi.L’acido fitanico si accumula
negli arti e nei tessuti soprattutto nel tessuto cerebrale, con
perdita dell’olfatto, emeralopia, sordità e sintomi neurologici
( tremori e atassia ).
78
79
Sintesi dei
corpi chetonici
(nei mitocondri epatici)
80
Corpi chetonici: carburanti metabolici alternativi
per cuore, muscolo e, nel digiuno, per il cervello
CERVELLO:
durante il digiuno i corpi chetonici costituiscono un
importante surrogato del glucosio.
81
Formazione dei corpi chetonici
• nello stato di digiuno l’ossalacetato viene consumato per
formare glucosio (via glucogenetica ) e quindi non è disponibile
per la condensazione con l’acetil CoA
L’acetil CoA viene deviato verso la formazione di acetoacetato
e di D-3-idrossibutirrato
L’acetoacetato, il D-3-idrossibutirrato e
l’acetone sono i corpi chetonici
82
Chetogenesi
riduzione
decarbossilazione
H
O
3
OH
β-idrossibutirrato
acetone
83
Conversione metabolica dei
corpi chetonici in
acetil CoA
reazione di attivazione
dell’acetoacetato
84
In alcuni tessuti i corpi chetonici sono un importante
combustibile
• Sono una forma idrosolubile, trasportabile di unità acetile
• Le due molecole di acetile che si formano possono entrare nel ciclo
dell’acido citrico
• I corpi chetonici sono utilizzati prevalentemente dal muscolo e dalla
corteccia renale. Il cervello si adatta ad usare l’acetoacetato durante il
digiuno e nello stato diabetico.
85
PATOLOGIE DA ELEVATA
DEI CORPI CHETONICI
CONCENTRAZIONE
• La più comune è la chetosi diabetica nei pazienti
affetti da diabete mellito insulino-dipendente
• L’assenza di insulina ha due importanti conseguenze
biochimiche:
1. Il fegato non è in grado di assorbire il glucosio
e di fornire ossalacetato per processare l’ acetil
CoA derivato dagli acidi grassi
2. Il fegato produce grandi quantità di corpi
chetonici, che sono acidi moderatamente forti che
causano uno stato di acidosi di grado elevato
86
disponibilità di ossalacetato
NADH/NAD+
87
DA RICORDARE
I grassi bruciano al fuoco dei carboidrati
Il motivo sta nel fatto che l’entrata dell’acetil
CoA (proveniente dall’ossidazione degli acidi
grassi) nel ciclo dell’ acido citrico, avviene
soltanto se la degradazione dei grassi e quella dei
carboidrati sono bilanciate in modo appropiato:
l’entrata dell’ acetil CoA nel ciclo dipende dalla
disponibilità di ossalacetato per la formazione di
citrato
88
IMPORTANTI ACIDI GRASSI
Acido stearico
Acido oleico
Acido linoleico
Acido linolenico
18:0
18: 1(9)
18: 2(9,12)
18:3 (9,12,15)
L’acido linoleico è particolarmente importante poiché viene
convertito, attraverso una serie di allungamenti e
desaturazioni in acido arachidonico, un precursore della
sintesi delle prostaglandine e altri eicosanoidi
89
Essi sono indispensabili:
1) per la produzione di energia
2) per la formazione delle membrane cellulari
3) per il trasferimento dell'ossigeno dall'aria al sangue
4) per la sintesi di emoglobina
5) per la funzione delle prostaglandine
6) per il corretto equilibrio ormonale
7) per la produzione ormonale (ad esempio del
testosterone).
La carenza di questi acidi produce astenia, pelle secca,
deficit immunitario, ritardo della crescita, sterilità.
L’organismo non riesce a produrre gli acidi grassi
essenziali linoleico e linolenico.
I grassi omega-3 si trovano nei pesci grassi, come
il salmone, mentre quelli omega-6 in oli quali: l'olio di
lino spremuto a freddo, l'olio di mais, di soia e di
girasole.
Gli acidi omega-3 aiutano persino a difendere il
cervello dai disturbi da deficit di attenzione
L’acido arachidonico può essere sintetizzato dall’acido
linoleico se esso è fornito all’organismo in quantità
sufficiente dalla dieta.
Desaturazione dell’acido linoleico
NAPH(H)+
18:2(9, 12)
acido linoleico
O2
NADP+
2H2O
2CO2
18:3 (6,9,12)
ac.γγ-linoleico
20:3(8,11,14)
O2
NADPH(H)+
2H2O
L’uomo è incapace di desaturare
un acido monomerico nella porzione
della catena compresa fra doppio
legame ed estremità metilica (ω)
per cui devono essere introdotti con
la dieta e quindi sono essenziali:
NADP
20:4(5,8,11,14)
ac.arachidonico
L’acido linoleico
l'acido linoleico (un acido 6 omega)
l'acido linolenico (un acido 3 omega).
L’acido linolenico
92
L’ARACONOIDATO E’ IL PRINCIPALE PRECURSORE DEGLI
ORMONI EICOSANOIDI ( prostaglandine, prostacicline,
trombossani )
CORTICOSTEROIDI
-
-
FANS
ciclo-ossigenasi -
L’arachidinato può essere convertito in leucotrieni per azione
della lipossigenasi
Questi composti scoperti inizialmente nei leucociti, contengono tre
93
doppi legami coniugati
Gli eicosanoidi
derivano dall’acido arachidonico
Sono coinvolti nelle produzione di dolore e febbre, nella
regolazione della pressione sanguigna, della coagulazione
del sangue e della riproduzione
L’aspirina inibisce la sintesi delle prostaglandine
94
Confronto tra β-ossidazione e biosintesi degli acidi grassi
95
Riassunto schematico del metabolismo lipidico
Siti di regolazione del
metabolismo degli acidi grassi
2
3
5
4
Il malonil CoA inibisce il
trasportatore
carnitina transferasi.
6
Il rapporto glucagone/insulina
determina la velocità e la
direzione del metabolismo
degli acidi grassi
1
REGOLAZIONE GLOBALE
• La sintesi e la degradazione degli acidi grassi sono
regolate reciprocamente
• Il malonil CoA inibisce la carnitina acil transferasi I
impedendo l’accesso degli acil CoA alla matrice
mitocondriale nei momenti di abbondanza
• Nello stato di digiuno la concentrazione degli acidi grassi
liberi aumenta poiché ormoni quali l’adrenalina e il glucagone
stimolano la lipasi delle cellule adipose
1 98
• Nel controllo a lungo termine si ha la modulazione della
sintesi degli enzimi coinvolti nella sintesi degli acidi grassi:
Citrato liasi,enzima malico,l’acetil-CoA carbossilasi,
l’acido grassi sintasi
Il contenuto epatico di questi enzimi, che hanno tutti una breve
emivita diminuisce a digiuno e nel diabete insulino privo, aumenta
in seguito a somministrazione di glucosio e insulina con:
aumento dei
glucidi
Stimola la biosintesi degli enzimi
della lipogenesi
conversione dei glucidi in lipidi
2
99
Il controllo dell’equilibrio energetico, e quindi
dell’adiposità, è attuato attraverso l’integrazione
di diversi fattori:
fattori genetici
fattori ambientali