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COLESTEROLO
MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO
Colesterolo. unico sterolo sintetizzato dagli animali
Le piante sintetizzano diversi steroli (fitosteroli)
Colesterolo deriva dalla
DIETA presente soltanto in alimenti di origine animale nelle piante: fitosteroli
dalla dieta: 50 mg/die vegetariani -> 400 mg/die
INRAN, Linee guida USA 2005 ≤ 300 mg/die (adulti)
BIOSINTESI 700-900 mg/die in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle
TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die
COLESTEROLO TOTALE 100 g 5 % ematico, 95 % cellulare
FUNZIONIstrutturale Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane
precursore - acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA- ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali)- vitamina D
EFFETTI DANNOSImolecola apolare, assolutamente insolubile in acqua- se precipita, non più rimovibile con conseguente danno cellulare
- se si accumula in modo errato nelle arterie non può più essere rimosso; i livelli ematici devono rimanere bassi
Stretta correlazione fra livelli di colesterolo ematico e rischio di malattia coronarica
biosintesienzima chiave HMGCoA reduttasi
catabolismo enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi
captazione dal circolorecettori per le lipoproteine
FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo
Vie coordinatedai livelli dicolesterolo
omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni
ENTEROCITA studiata negli ultimi anni
CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE BiosintesiFormazione dei chilomicroni
In elegant and systematic studies you have discovered a physiological mechanism of great importance: the way in which mammalian cells strive to establish an equilibrium between their own synthesis of cholesterol and the cholesterol they obtain from the circulating blood influenced by diet. You have also demonstrated something else: how successful cooperation can be a principle that should perhaps be more widely applied, both in science and in other areas of human endeavour.
Michael Brown e Joseph GoldsteinUniv Dallas, Texas - Nobel Prize 1985
J. Biol Chem 1974Binding and degradation of LDL by cultured human fibroblats: comparison of cells from normal subjects and from patients with homozygous Familial Hypercholesterolemia
the decision letter from Associate Editor Eugene Kennedy: -It is my considered opinion that publication of this paper would not serve medical science neither would it earn credit in the long run to its authors
acetilCoA
isoprene(5 atomi di carbonio)
squalene(30 atomi di carbonio)
Prodotto di ciclizzazione(30 atomi di carbonio)
colesterolo(27 atomi di carbonio)
lanosterolo
polimerizzazione
STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA
O2
RETICOLO ENDOPLASMATICO
CH2
CH2
O2
NADPH
ATP, NADPH
C-C=C-CI
C
HO
3HCCH3
CH3
CH3
CH3 CH3
HO
3HCCH3
CH3
1. Condensazione di 3 unità di acetato a dare un intermedio a 6 atomi di C, il mevalonatoTappa regolatoria e limitante:riduzione della HMGCoA a mevalonato
2. Conversione del mevalonato in unità isopreniche attive
3. Polimerizzazione di 6 unità isopreniche a 5 atomi di C a formare un catena lineare a 30 atomi di C (squalene)
4. Ciclizzazione dello squalene per dare la struttura steroidea, seguita da una ulteriore serie di modificazioni che portano al colesterolo
LA BIOSINTESI RICHIEDEAcetil CoA mitocondriale
- piruvato (da glucosio)- -ossidazione acidi grassi
esportato dal mitocondrio sotto forma di citratocitrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi
ossalacetato + NADH malato + NAD+
malato + NADP+ + H2O + enzima malico piruvato + HCO3- + NADPH + H+
NADPH + H+
- via dei pentosi fosfati (glucosio)- enzima malico
ATP fosforilazione ossidativa
IMPORTANZA DEL GLUCOSIO NELLA SINTESI DEL COLESTEROLO
1. Conversione di 3 composti C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevalonato)
HMG~CoA reduttasi PUNTO DI CONTROLLO DEL PROCESSO BIOSINTETICO
CO-S-CoA + CH3
CH3 C=O
CH2
CO -S-CoA
COO-
CH2
HO-C-CH3
CH2
CO -S-CoA
CoA-SH
HMG~CoAsintasi
CoA-SH
HMG ~CoAreduttasi
2NADPH + H+ 2NADP+
CH2
HO-C-CH3
CH2
CH2O H
COO-
acetil CoA acetoacetil CoA mevalonatoidrossimetil glutaril ~ CoA (HMG~CoA)
* *
2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato)Tre tappe di fosforilazione con il consumo di 3 ATP
mevalonato 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato
CH2
HO-C-CH3
CH2
CH2O H
COO-mevalonato
chinasi
ATP ADP
CH2
HO- C-CH3
CH2
CH2-O-PO3H–
COO- COO-
CH2
HO- C-CH3
CH2-O-P~P CH2
fosfomevalonatochinasi
ATP ADP
CH2
IIC - CH3
CH2-O-P ~P CH2
ATP ADP + Pi CO2
pirofosfomevalonatodecarbossilasi
CH3
IC - CH3
CH2-O-P ~P CHisopentenilpirofosfato
isomerasi
3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato isoprene attivato
3. Polimerizzazione della molecola isoprenica
dimetilallilpirofosfato Isopentenil pirofosfato
+prenil
transferasi
PPi
geranilpirofosfato
PPi
farnesilpirofosfato
preniltransferasi
squalene sintasi
NADPH + H+ NADP+ + 2PPi
squalene
C5 C5 C10
C15 C302 X
testa -coda
testa-testa
4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo
rimozione 3 metili (due in C4 ed uno in C14) come CO2
saturazione doppio legame (catena laterale) spostamento doppio legame (8,9 5,6)
O2NADPH + H+ NADP+
Squaleneepossidasi
H2O
H+
squalene squalene epossido
lanosterolo
19 reazioni(NADPH e O2)
Squaleneepossido
ciclasi
selenoproteine
Dolicolo-P18-20 unità
ProteineN- glicosilate
(immunoglobuline) ColesteroloCoQ10 o ubichinone
Proteine isoprenilate (Ras)
ormoni vitamina D
acidi biliari membrane
Antiossidante lipofilo
Trasporto elettroni
mitocondriale
trasduzionedel segnale
farmaci antitumorali
isopenteniladenosina
tRNASec
+ Tyr
Eme acitocromo c ossidasi
Altre biosintesi che utilizzano la molecola isoprenica
I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto mevalonato farmaci (statine)
II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione che dipende dallo STATO ENERGETICO DELLA CELLULA
forma non fosforilata più attivaforma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente (AMPK)
ATP/AMP ≈ 50 piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP]
calo in [ATP] calo nella sintesi di colesterolo e ac. grassi
III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesisotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo
via principale
VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCoAR FINO A 200 VOLTE
R
HO
CH3
COO-
OH
O
O
CH3
X
HOCOO-
OHH3C R = CH3 X= H lovastatina
R = CH3 X= CH3 simvastatina
STATINEInibitori competitivi della HMG CoA reduttasi
sono i composti più efficaci per livelli di LDL (~ 50%) sintesi colesterolo sintesi del recettore per le LDL (effetti modesti HDL)
anti-infiammatorianti-aggreganti
miopatia (coenzima Q? canali ionici? proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi?) neuropatia, disturbi intestinali
effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo
REGOLAZIONE dei LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI
controllo feedback da parte del colesterolo
DEGRADAZIONE e BIOSINTESI REGOLATE
dai LIVELLI CELLULARI DI COLESTEROLO (tramite sensori dei livelli di colesterolo del R.E.)
tramitePROTEOLISI CONTROLLATA
dominio idrofilicocitosolico C-terminale -catalitico
HMG~CoA reduttasi2 DOMINI
DEGRADAZIONE accelerata in presenza di alti livelli colesterolo tramite sistema ubiquitina-proteasoma
(emivita HMGCoAR ~3,5 h)
dominio idrofobico N-terminale ancorato al R.E. che contiene un dominio sensibile agli steroli -
importante per la stabilità
tramite i fattori di trascrizione
Sterol Regulatory Element - Binding Protein SRE-BP
Legano sequenze SRE Sterol Regulatory Element presenti nel promotore di geni coinvolti nella biosintesi di acidi grassi e colesterolo
2 isoforme sintetizzate da due distinti geni
SRE-BP1c biosintesi di trigliceridi
SRE-BP2 biosintesi di colesterolo e recettori LDL
BIOSINTESI: regolazione trascrizionale
SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein
contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCoA-R)
SENSORE DEL COLESTEROLO
Alti livelli colesterolo - Interazione Insig - SCAP e blcco di SREBP - nel RE
N-terminale - forma solubile attiva nucleare
S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2
cytosol
ER
cytosol
GOLGI
Bassi livelli di colesteroloComplesso SCAP-SREBP
SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di colesterolo: coefficiente di Hill 3,5 (alta cooperatività) e quindi piccole variazioni in colesterolo sufficienti a indurre una risposta aattativa
Arun Radhakrishnan1 et al. Cell metabolism 2008
REGOLAZIONE GLOBALE
ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Aumento della degradazione di HMG-CoA reduttasi
2. Diminuzione della attivazione di SRE-BPSI ABBASSANO I LIVELLI
BASSI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Più lunga emivita di HMG-CoA reduttasi
2. Aumento della attivazione di SRE-BPSI INNALZANO I LIVELLI
Regolazione epatica
intermediate-density lipoprotein IDL
SATURAZIONE RECETTORE CALORIE TOTALI TRIGLICERIDI COLESTEROLO
DIETA IPOCALORICA DIGIUNO
SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO
acido taurocolico
Funzione nell’assorbimento dei lipidi
Idrossilato in C3, C7, C12
7-idrossilasi
Regolazione del catabolismo:
CYP7A1- indotta da colesterolo alimentare - inibita da sali biliari
HMG-CoA reduttasi
–
Acidoascorbico
acidodeidroascorbicoO2 H2O
7-idrossilasi (CYP7A1)R.E. Colesterolo 7 -idrossicolesterolo
Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile
CIRCOLO ENTEROEPATICOSali biliari: sintetizzati 400 mg/die
riciclati 20-30 g/die
BILE -82% H2O 5% colesterolo.15% fosfatidilcolina 80% sali biliari
Vegetariani stretti assunzione con la dieta <55 mg dalla bile 750 mg
Dieta occidentale assunzione con la dieta 300-500 mg dalla bile 800-1200 mg
ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO
A PARITA’ DI INTROITO CALORICO Acidi grassi saturi (e trans insaturi <5% nella carne e latte ruminanti)
Saccarosio, fruttosio (generano trigliceridi)
Colesterolo (effetto minore di grassi saturi) = Acidi grassi monoinsaturi effetto neutro o positivo (altri componenti) Acidi grassi polinsaturi n-6 ed n-3
Dieta ipocalorica e calo ponderale
Attività fisica aerobica ( HDL) Fibra alimentare;
Fitosteroli
Controllo non farmacologico della colesterolemia Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document
Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL