l`acetil-CoA-ACP transferasi
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La sintesi degli acidi grassi avviene essenzialmente nel fegato e negli adipociti e in misura minore in cellule specializzate, quali le ghiandole mammarie durante l’allattamento. La biosintesi degli acidi grassi viene indicata come sintesi de novo o ex novo per distinguerla dalla sintesi per allungamento che si può avere nel mitocondrio come reversal della b-ossidazione. La via di sintesi è nettamente distinta da quella degradativa (b-ossidazione) •La sintesi si realizza nel citosol (mentre l’ossidazione nei mitocondri) •Nella sintesi gli intermedi sono legati come tioesteri alla proteina trasportatrici di gruppi acilici (ACP) (nell’ossidazione i tioesteri attivi sono derivati del CoA) •Una proteina multifunzionale formata da due catene identiche polipeptidiche catalizza gran parte delle reazioni biosintetiche (enzimi distinti catalizzano le reazioni di ossidazione). •Sia la sintesi che la degradazione procedono per cicli che riguardano frammenti bicarboniosi; la sintesi richiede un substrato a 3 atomi di carbonio, il malonil-CoA, che trasferisce unità bicarboniose alla catena nascente con liberazione di CO2 (l’ossidazione produce un frammento a due atomi di carbonio, l’aceti-CoA). •Il potere riducente per la sintesi proviene dal NADPH (mentre per l’ossidazione dipinde dal NAD+ e dal ETF) Localizzazione Ossidazione Sintesi Mitocondri Citosol Trasportatore di CoA Acili Proteina trasportatore di acili Unità carboniose C2 C2 Accettore /donatore CoA(C2) Malonil-CoA (C3, la reazione libera CO2) Cofattori ossido-riduttivi mobili NAD+ ETF NADPH Organizzazione degli enzimi Enzimi separati Enzima multifunzionale La sintesi degli acidi grassi può essere suddivisa in tre stadi: 1.Nel primo l’acetil-CoA mitocondriale è trasportato nel citosol, poi la carbossilazione genera malonil-CoA, substrato delle reazioni di allungamento della catena acilica. 2.La carbossilazione dell’acetil-CoA è la reazione regolata della sintesi degli acidi grassi. 3.L’acido grasso-sintetasi fa procedere costruzione della catena acilica. la La sintesi degli acidi grassi nel citosol richiede acetil-CoA. Procede per aggiunta di unità bicarboniose fornite dal malonil-CoA che a sua volta deriva dall’acetil-CoA. L’acetil-CoA proviene dai mitocondri ove è prodotto, dal metabolismo dei carboidrati, in normali condizioni di nutrizione. L’acetil CoA condensa con l’ossalacetato per dare citrato, attraverso l’enzima citrato sintasi. ORIGINE DELL'ACETIL-CoA UTILIZZATO PER LA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI L' acetil-CoA è formato nel mitocondrio ad opera di due soli processi: 1) decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico ( catalizzata dalla PDH) 2) beta-ossidazione degli acidi grassi La prima via è quella che permette alle molecole carboniose derivanti da glucosio ed aminoacidi di essere convertiti in acidi grassi. Per poter essere utilizzato nella sintesi degli acidi grassi l'acetil-CoA lascia il mitocondrio ultizzando il sistema di trasporto degli acidi tricarbossilici: Matrice mitocondriale citosol La decarbossilazione ossidativa del malato ad opera dell' enzima malico genera NADPH necessario per la sintesi degli acidi grassi PERCHÉ IL CITRATO PRENDE UNA STRADA INVECE CHE UN’ALTRA? Bisogna considerare due enzimi: •isocitrato deidrogenasi •il carrier dei tricarbossilici o carrier del citrato Quest’ultimo ha per il citrato una Km più elevata di quella dell’isocitrato deidrogenasi. Il citrato viene di norma risucchiato nel ciclo di Krebs. Però a bassa concentrazione di ADP aumenta la Km dell’isocitrato deidrogenasi per il citrato e supera la Km del carrier del citrato: il citrato viene così di preferenza trasportato fuori del mitocondrio, perché l’affinità del carrier si trova ad essere maggiore dell’enzima del ciclo di Krebs. FUORI DEL MITOCONDRIO : il citrato viene convertito ad ossalacetato e acetil CoA per mezzo dell’enzima citrato liasi. Il citrato è la molecola che trasporta nel citosol l’acetilCoA necessario per la sintesi degli acidi grassi, non potendo questo passare direttamente attraverso la membrana mitocondriale interna. L’ossalacetato viene convertito in malato dalla malato deidrogenasi citoplasmatica. Questa reazione serve a riformare il NAD+ necessario alla glicolisi, quando l’organismo converte l’eccesso di carboidrati in acidi grassi. NEL CITOSOL 1° reazione: citrato liasi CITRATO + CoA + ATP ossalacetato Malato deidrogenasi citoplasmatica MALATO ACETIL-CoA + ADP + Pi Destino dell’ossalacetato e del malato Nella ghiandola mammaria il malato rientra nel mitocondrio e ridà ossalacetato. Nel fegato, invece il malato citoplasmatico forma il piruvato per mezzo dell’enzima malico. Si forma NADPH , necessario per la sintesi degli acidi grassi come equivalente riducente. Una seconda via per ottenere NADPH è il ciclo dei pentosi. Da malato e piruvato si forma di nuovo ossalacetato che condensando con l’acetil-CoA forma di nuovo citrato che esce di nuovo dal mitocondrio a dare malato e di nuovo piruvato. Il risultato è che molte molecole di acetil-CoA, provenienti dal glucosio possono formare molte molecole di acido grasso senza richiedere nuovo ossalacetato. Ricapitoliamo: Il primo evento nella biosintesi degli acidi grassi è rappresentato quindi dalla fuoriuscita del citrato dal mitocondrio. Il citrato, una volta fuori del mitocondrio, può fare tre cose: Inibire insieme all’ATP la fosfofruttochinasi della glicolisi, in modo da limitare la produzione di acetil-CoA da glucosio. Formare l’acetil-CoA citoplasmatico che serve per la biosintesi degli acidi grassi. Attivare l’acetil-CoA carbossilasi per formare malonilCoA. Questa reazione è importante in quanto il malonil- CoA è il donatore delle unità bicarboniose per la biosintesi degli acidi grassi. REAZIONI DELLA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI La sintesi del malonil-CoA è il committed step nella sintesi degli acidi grassi. L’acetil-CoA subisce una carbossilazione La reazione è catalizzata dalla acetil-CoA carbossilasi (ACC): richiede il coenzima biotina per il trasferimento della CO2. Procede in due fasi: •Attivazione ATP-dipendente dell’HCO3•Trasferimento della CO2 attivata all’acetil-CoA CARBOSSIBIOTINA MALONIL CoA acetil-CoA carbossilasi L’ACC È UN IMPORTANTE SITO DI CONTROLLO DELLA BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI. Può esistere in una forma polimerica detta “filamentosa” che è la forma attiva e dipende dalla presenza del citrato In una forma monomerica inattiva che si ha in presenza di acidi grassi ed in assenza di citrato. È controllato anche da un meccanismo di fosforilazione/defosforilazione cAMP dipendente. La forma fosforilata è inattiva. Il glucagone induce la fosforilazione e l’inattivazione nel fegato; l’adrenalina fa lo stesso negli adipociti. L’insulina ha effetto opposto. Una volta formato il malonil-CoA può iniziare la sintesi degli acidi grassi. LA VIA METABOLICA RICHIEDE L’INTERVENTO DI BEN SETTE REAZIONI ENZIMATICHE di cui è responsabile un solo complesso enzimatico: L’ACIDO GRASSO SINTASI È una proteina dimerica di 480 kDa, che ha due unità Uguali di 240 kDa orientate in modo opposto l’una rispetto all’altra. Ogni subunità ha sette diversi siti catalitici. STRUTTURA DELL'ACIDO GRASSO SINTASI L'acido grasso sintasi è un enzima polifunzionale, formato da due catene polipeptidiche identiche. Perché un complesso multienzimatico ? L’associazione di enzimi che catalizzano reazioni sequenziali all’interno di una via metabolica è notevolmente vantaggioso: Permette di veicolare i reagenti e prodotti fra i siti attivi senza venire in contatto con il solvente. Ciò velocizza la via metabolica e protegge gli intermedi instabili. Inoltre consente di regolare l’espressione di un solo gene codificante per quella struttura enzimatica. CARICAMENTO I primi due enzimi che intervengono sono: l’acetil-CoA-ACP transferasi (AT) malonil-CoA –ACP transferasi (MT) transferasi transferasi La proteina trasportatrice di acili (ACP) consta di: -una parte proteica -una parte prostetica, che corrisponde alla fosfopanteteina, che deriva dal CoA. -Il fosfato della fosfopanteteina si lega al residuo di serina-36 della proteina. Qui si legano gli intermedi della sintesi degli acidi grassi, dando luogo a composti acilici attivati, sottoforma di tioesteri. Il gruppo –SH (tiolico) all’estremità della fosfopanteteina è quello che lega gli intermedi della biosintesi degli acidi grassi. L’-SH è il sito di acilazione dell’ACP, che dà luogo ad intermedi attivati tioesteri. Segue la reazione di : CONDENSAZIONE La chetoacil-ATP sintetasi, detta anche enzima condensante accetta il gruppo acetile dell’acil-ACP, e lo trasferisce al malonil-ACP con liberazione di CO2 formando aceto-acetil-ACP RIDUZIONE Un gruppo chetonico è ridotto a gruppo alcolicoad opera della b-chetoacil-ACP reduttasi DEIDRATAZIONE L’enzima b-D-idrossiacil deidratasi rimuove una molecola d’acqua con formazione di un doppio legame. RIDUZIONE Enoil-ACP-reduttasi NADPH-dip Si forma un acil-ACP a quattro atomi di carbonio: butirril-ACP; il butirrato viene trasferito dall’ACP all’enzima condensante e sull’ACP reso libero si lega un altro malonato. Il ciclo riprende con il legame del butirrato al malonato, con perdita della CO2, come nel primo ciclo; ora il butirrato sostituisce l’acetato. La sintesi procede per ripetizione del processo a partire dallo stato di condensazione; L’acil-ACP, ovvero il butirril-ACP, sostituisce l’acetil-ACP ed una nuova molecola di malonil-CoA entra in ciascun ciclo. Mentre nel primo ciclo l’acetil-CoA fornisce l’unità bicarboniosa che corrisponde all’ultimo e penultimo atomo di carbonio della molecola in formazione, nei cicli successivi il malonil-CoA fornisce l’unità bicarboniosa terminale. I cicli sintetici continuano fino al gruppo C16-palmitoile. Il palmitoil-ACP è poi substrato di una tiolasi che lo stacca dall’ACP, mediante attività idrolitica Sintesi del palmitato ALLUNGAMENTO E DESATURAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI ALLUNGAMENTO DELL'ACIDO PALMITICO (C 16): 1) nel mitocondrio, l'allungamento ha inizio con la reazione tiolasica: palmitoil-CoA + acetil-CoA ------------> b-chetostearoilCoA + HS-CoA seguita dalle reazioni catalizzate dalla idrossiacil-CoA deidrogenasi, enoil-CoA deidratasi ed enoil-CoA reduttasi. 2) nel reticolo endoplasmico, l'allungamento avviene per addizione di unità C2 in forma di malonyl-CoA. In entrambi NADPH. i casi viene utilizzato esclusivamente REGOLAZIONE DELLA SINTESI DEGLI ACIDI GRASSI La sintesi degli acidi grassi è controllata in primo luogo dall'equilibrio esistente tra la forma monomerica dell'ACC (inattiva) e la forma polimerica (attiva) Il citrato, attivatore allosterico, sposta l'equilibrio verso la forma polimerica attiva;mentre gli acil-CoA a lunga catena spostano l'equilibrio verso i monomeri inattivi. La fosforilazione dell'ACC modula l'attivazione da parte del citrato e l'inibizione da parte dell' acil-CoA. Il glucagone e l'adrenalina aumentano l'attività della PKA che fosforila alcuni residui di serina dell'ACC. Il risultato è una diminuzione dell'attività enzimatica. L'insulina, invece fa aumentare l'attività dell'enzima. Gli enzimi DESATURASI catalizzano la formazione dei doppi legami all’interno della catena carboniosa degli acidi grassi. Le cellule animali contengono enzimi in grado di desaturare solo fino alla posizione 9 a partire dal gruppo carbossilico dell’acido grasso. Solo le piante sono in grado di andare oltre con l’insaturazione. DESATURAZIONE: Negli animali superiori è possibile la desaturazione di un acido grasso a livello del reticolo endoplasmico come nel caso della stearoil-desaturasi. Gli acidi grassi insaturi così ottenuti possono essere successivamente allungati. Dall'acido grasso essenziale linoleico (D9,12- 18:2) si ottiene del reticolo endoplasmico l'acido arachidonico ( D4,8,11,14 - 20:4) L’ORGANISMO ANIMALE NON RIESCE A SINTETIZZARE ALCUNI ACIDI GRASSI, DETTI: Acido linoleico CH3 (CH2)4 CH CH CH2 CH Acido a-linolenico CH3 CH2 CH CH CH2 CH CH (CH2)7COO H CH CH2 CH CH (CH2)7 COOH L’essenzialità risiede nel fatto che l’organismo non riesce ad inserire insaturazioni ossia doppi legami in determinate posizioni ω3 ed ω6. ( questa denominazione prende come riferimento il metile alla testa dell’acido grasso.) Essi sono i capostipiti dagli acidi grassi delle serie: •Linoleica •Linolenica La classificazione con il simbolo “ω“ indica la posizione del doppio legame a partire dal metile in testa. Derivano dall’acido arachidonico, presente nel foglietto interno della membrana cellulare, all’interno di lipidi complessi, i fosfolipidi. Esso viene liberato per azione di una fosfolipasi A2. Derivano dagli acidi grassi insaturi a lunga catena e funzionano come molecole regolatrici di numerosi processi nell’organismo. SINTESI DEI TRIGLICERIDI • Sintesi ex-novo • Acilazione di mono e di-gliceridi ORIGINE AC. GRASSI 1) DALLE LIPOPROTEINE - VLDL, Chilomicroni (LPL)ac.grassi + monogliceride (monogliceride lipasi) glicerolo+ac.glicerico - VLDL LDL; chilomicroni HDL 2) IDROLISI TG ADIPOCITARI 3) SINTESI EX-NOVO ORIGINE DEL GLICEROLO-3P -Catabolismo glucidico:1) ox. a CO2 x energia; 2) shunt pentosoP x NADPH; 3) sintesi ac.grassi; 4)formazione del glicerolo-3P da DHAP (diidrossiacetone fosfato) - Attività della glicerolo kinasi molto bassa SINTESI DEI TRIGLICERIDI I trigliceridi ed i fosfolipidi ed i fosfolipidi neutri (fosfatidilcolina, etanolammina) sono sintetizzati attraverso una via comune. La prima parte è schematizzata in figura Il diidrossiacetone fosfato (DHAP) provienente dalla glicolisi, viene dapprima ridotto a glicerolo-3fosfato. Quest’ultimo serve da scheletro per le successive acilazioni con molecole di acil-CoA grazie a due differenti aciltrasferasi. Si ottiene così l’acido fosfatidico. Il passo successivo è la defosforilazione dell’acido fosfatidico Si ottiene 1,2- Diacilglicerolo Che può essere direttamente acilato a formare il triacilglicerolo SINTESI DEI TRIGLICERIDI Una molecola di glicerolo-3fosfato viene incorporata nel CDPdiacilglicerolo con spiazzamento del CMP Fosfatidilglicerolofosfato Quindi una fosfatasi catalizza la formazione del fosfatidilglicerolo. Fosfatidilglicerolo Segue lo spiazzamento del glicerolo da parte del fosfatidilglicerolo Difosfatidilglicerolo (Cardiolipina) STRUTTURA DEI FOSFOLIPIDI Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina Fosfatidilinositolo Fosfatidilglicerolo Difosfatidilglicerolo (Cardiolipina) C5) SINTESI TRIGLICERIDI Sintesi di glicerolo-3P da glicerolo o DHAP L’1,2 diacilglicerolo può anche reagire con: CDP-colina CDP-etanolammina fosfatidiletanolammina fosfatidilcolina Fosfolipidi neutri La CDP-colina si forma dalla fosforilazione della colina via colina cinasi seguita dalla condensazione con CTP via CTP :fosfocolina citidiltrasferasi. LE FOSFOLIPASI PLASMALOGENI • I plasmalogeni sono una sottoclasse di glicerofosfolipidi che presentano un gruppo alchilico legato con un legame etere al C-1 del glicerolo. I plasmalogeni sono i lipidi più abbondanti nelle membrane mitocondriali e sono anche presenti in considerevoli quantità nel tessuto nervoso e muscolare ( basti pensare che nel cuore i plasmalogeni rappresentano circa il 50% dei fosfolipidi totali). PLASMALOGENI • La funzione di tali molecole sembrerebbe quella di proteggere dallo stress ossidativo, i tessuti che presentano un notevole metabolismo aerobio, dato che sono molto resistenti alla degradazione ossidativa. Ciò è assai importante soprattutto per il fatto che nella maggior parte delle membrane, i fosfolipidi si rinnovano in continuazione, processo questo che è particolarmente evidente in risposta a danni ossidativi che si instaurano soprattutto nel corso di reazioni infiammatorie. SFINGOLIPIDI • Gli sfingolipidi sono un gruppo eterogeneo di lipidi polari ed anfipatici. La loro struttura centrale presenta un ammino-alcool a catena lunga, la sfingosina, che viene sintetizzata mediante condensazione e decarbossilazione ossidativa della serina con il palmitato. In tutti gli sfingolipidi, un acido grasso a catena lunga è unito al gruppo aminico della sfingosina mediante un legame amidico. SFINGOLIPIDI • La sintesi dell’unità di sfingosina degli sfingolipidi prevede la condensazione del palmitoil CoA con la serina, reazione questa in cui il carbonio 1 della serina viene perso come biossido di carbonio; il prodotto di tale reazione viene poi convertito attraverso diverse tappe a sfingosina, la quale viene successivamente N-acilata per generare il ceramide ( N-acilsfingosina). • Il ceramide rappresenta a sua volta il precursore e lo scheletro strutturale della sfingomielina e degli glicosfingolipidi. SFINGOMIELINA • La sfingomielina è uno sfingolipide presente nelle membrane plasmatiche e nelle membrane degli organuli subcellulari, del reticolo endoplasmatico e dei mitocondri. • La sfingomielina è l’unico sfingolipide che contiene un gruppo fosforico, e rappresenta il fosfolipide più abbondante nella guaina mielinica dei nervi. SFINGOMIELINA • Durante la sua sintesi, una unità di fosfocolina è trasferita sul gruppo ossidrilico terminale della sfingosina. La composizione in acidi grassi della sfingomielina può variare, anche se sono molto comuni acidi grassi a catena lunga come • –l’acido lignocerico ( C-24:0) • -l’acido cerebronico ( 2-idrossilignocerico) • -l’acido nervonico ( C-24:1) GLICOLIPIDI • I glicolipidi, o glicosfingolipidi, sono sfingolipidi che contengono unità saccaridiche legate covalentemente. • Essi possono essere classificati in quattro gruppi diversi: • -i cerebrosidi • -i sulfatidi • -i globosidi • -i gangliosidi. GLICOLIPIDI • In tutte queste classi, la testa polare, che comprende le unità saccaridi che, è unità al ceramide attraverso un legame glicosidico con il gruppo ossidrilico terminale della sfingosina. • I più semplici fra i glicosfingolipidi sono il glucoe il galatto-cerebrosidi (glucosil e galattosil ceramidi), che presentano un monosaccaride attaccato alla sfingosina. GLICOLIPIDI • I sulfatidi si formano in seguito all’aggiunta di un gruppo solfato da parte del donatore 3’fosfoadenosina-5’-fosfosolfato Se la porzione saccaridica di un cerebro side contiene due o più monosaccaridi ed almeno un unità di N-acetil galattosamina, allora il glicosfingolipide appartiene alla classe dei globosidi. • Infine, i glicolipidi la cui catena oligosaccaridica contiene l’acido sialico, sono chiamati gangliosidi. Malattie genetiche associate al metabolismo degli sfingolipidi: sfingolipidosi Gli sfingolipidi sono normalmente degradati dai lisosomi nelle cellule fagocitarie del SISTEMA RETICOLO ENDOTELIALE (fegato, milza midollo osseo) Durante il periodo neonatale il turn-over dei gangliosidi nel SNC è molto elevato ed essi sono rapidamente degradati e risintetizzati. Quando a causa di errori genetici l’attività di un enzima idrolitico è ridotta, il substrato a monte della reazione coinvolta si accumula e si deposita nei tessuti responsabili del catabolismo di quel lipide, causando danni tissutali notevoli (ritardo mentale, cecità, ingrossamento del fegato e della milza, ecc.) Alcune di queste patologie (con i lipidi coinvolti) sono: •Malattia di Gaucher (sfingomielina) •Malattia di Tay-Sachs (glucocerebroside) •Malattia di Fabry (ceramide triesoside) •Malattia di Niemann-Pick (sfingomielina) SINTESI DEL CERAMIDE La 3-chetosfinganina sintetasi necessita del piridossalfosfato,coenzima derivato dalla vitamina B6 (piridossale,piridossolo,piridos samina). SINTESI DELLA SFINGOMIELINA SINTESI DEL CERAMIDE La 3-chetosfinganina sintetasi necessita del piridossalfosfato,coenzima derivato dalla vitamina B6 (piridossale,piridossolo,piridos samina). SINTESI DELLA SFINGOMIELINA SINTESI DEI SOLFATIDI ASPETTI CLINICI La sindrome da stress respiratorio è causa di morte prematura nel neonato. E' dovuta ad insufficente produzione a livello polmonare della dipalmitoillecitina, tensioattivo necessario per il normale rilasciamento degli alveoli polmonari. La maturazione del polmone fetale può essere dedotta dalla determinazione nel liquido amniotico del rapporto dipalmitoil-lecitina/sfingomielina: per valori inferiori a 2 si ha rischio di sindrome da stress respiratorio. Malattie genetiche associate al metabolismo degli sfingolipidi: sfingolipidosi. • La funzione del DPCC è quella di diminuire la tensione superficiale del sottile strato acquoso nei polmoni, facilitando l’apertura degli alveoli durante l’inspirazione. La carenza di questo surfactante causa il collasso dei polmoni durante l’espirazione con conseguente insufficienza respiratoria. • La maturazione del polmone fetale può essere dedotta dalla determinazione nel liquido amniotico del rapporto dipalmitoillecitina/sfingomielina: per valori inferiori a 2 si ha rischio di sindrome da stress respiratorio. PATOLOGIE DA FOSFOLIPIDI: LA SINDROME DA INSUFFICIENZA RESPIRATORIA ACUTA ( ARDS) • I polmoni dei neonati prematuri non presentano un numero adeguato di cellule epiteliali di tipo II per sintetizzare quantità sufficienti del fosfolipide dipalmitoilfosfatidilcolina ( DPPC). Tale fosfolipide costituisce da solo oltre l’80% dei fosfolipidi totali disposti a formare uno strato extracellulare che riveste gli alveoli dei polmoni normali.
