METABOLISMO
del
COLESTEROLO
COLESTEROLO
MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO
Colesterolo. unico sterolo sintetizzato dagli animali
Le piante sintetizzano diversi steroli (fitosteroli)
ALCOL
Gruppo alcolico esterificato
con acido grasso
es. nelle lipoproteine
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
FUNZIONI
strutturale
Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane
precursore
- acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA
- ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali)
- vitamina D
EFFETTI DANNOSI
molecola 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
FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo
omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni
biosintesi
enzima chiave HMGCoA reduttasi
catabolismo
enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi
captazione dal circolo
recettori per le lipoproteine
ENTEROCITA
studiata negli ultimi anni
CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE
Biosintesi
Formazione dei chilomicroni
Vie coordinate
dai livelli di
colesterolo
J. Biol Chem 1974
Binding 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
Michael Brown e Joseph Goldstein
Univ Dallas, Texas - Nobel Prize 1985
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.
acetato
CH3
I
3HC-C=CH-CH3
isoprene
polimerizzazione
terpene
STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA
acetilCoA
ATP, NADPH
isoprene
(5 atomi di carbonio)
C
I
RETICOLO ENDOPLASMATICO
C-C=C-C
polimerizzazione
CH2
squalene
(30 atomi di carbonio)
CH2
3HC
O2
CH3
CH3
lanosterolo
Prodotto di ciclizzazione
(30 atomi di carbonio)
CH3
HO
CH3 CH3
3HC
CH3
O2
NADPH
CH3
colesterolo
(27 atomi di carbonio)
HO
1. Condensazione di 3 unità di acetato a dare un intermedio
a 6 atomi di C, il mevalonato
Tappa 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 RICHIEDE
Acetil CoA
mitocondriale
- piruvato (da glucosio)
- -ossidazione acidi grassi
esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato
citrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi
NADPH + H+
- via dei pentosi fosfati (glucosio)
- enzima malico
ossalacetato + NADH malato + NAD+
malato + NADP+ + H2O + enzima malico piruvato + HCO3- + NADPH + H+
ATP
fosforilazione ossidativa
IMPORTANZA DEL GLUCOSIO NELLA SINTESI DEL COLESTEROLO
1. Conversione di 3 composti C2 (acetil CoA) in un
composto C6 (mevalonato)
CoA-SH
CO-S-CoA + CH3
* CH3
* C=O
-
HMG~CoA
sintasi
COO
CH2
CO -S-CoA
acetoacetil CoA
-
COO
HMG ~CoA
reduttasi
HO-C-CH3
CH2
acetil CoA
2NADPH + H+ 2NADP+
CoA-SH
CH2
HO-C-CH3
CH2
CH2
CO -S-CoA
CH2O H
idrossimetil glutaril ~ CoA
(HMG~CoA)
mevalonato
HMG~CoA reduttasi
PUNTO DI CONTROLLO DEL PROCESSO BIOSINTETICO
2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato)
Tre tappe di fosforilazione con il consumo di 3 ATP
ATP
ATP
ADP
-
COO
CH2
ADP
-
-
COO
mevalonato
chinasi
HO-C-CH3
CH2
COO
fosfomevalonato
chinasi
CH2
HO- C-CH3
HO- C-CH3
CH2
CH2
CH2
CH2O H
CH2-O-PO3H–
CH2-O-P~P
mevalonato
5 fosfomevalonato
ATP ADP + Pi
CO2
pirofosfomevalonato
decarbossilasi
CH3
CH2
I
II
C - CH3
CH2
5 pirofosfomevalonato
C - CH3
isopentenilpirofosfato
isomerasi
CH
CH2-O-P ~P
CH2-O-P ~P
3 isopentenilpirofosfato
isoprene attivato
dimetilallilpirofosfato
3.
Polimerizzazione della molecola isoprenica
testa -coda
C5
C10
C5
PPi
+
dimetilallilpirofosfato
Isopentenil pirofosfato
prenil
transferasi
geranilpirofosfato
C30
2 X C15
testa-testa
PPi
NADPH + H+
prenil
transferasi
farnesilpirofosfato
NADP+
+ 2PPi
squalene sintasi
squalene
4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e
conversione a colesterolo
O2
+
NADPH + H+ NADP
Squalene
epossidasi
H2O
H+
squalene
squalene epossido
Squalene
epossido
ciclasi
19 reazioni
(NADPH e O2)
lanosterolo
rimozione 3 metili (due in C4 ed uno in C14) come CO2
saturazione doppio legame (catena laterale)
spostamento doppio legame (8,9 5,6)
Altre biosintesi che utilizzano
la molecola isoprenica
selenoproteine
tRNASec
isopenteniladenosina
trasduzione
del segnale
Proteine
isoprenilate (Ras)
farmaci
antitumorali
Dolicolo-P
18-20 unità
Eme a
citocromo c ossidasi
+ Tyr
CoQ10 o ubichinone
Trasporto
elettroni
mitocondriale
Proteine
N- glicosilate
Antiossidante
lipofilo
(immunoglobuline)
Colesterolo
ormoni
acidi biliari
vitamina D
membrane
Il colesterolo importato blocca la sintesi del colesterolo
e del recettore per le LDL
REGOLAZIONE DELLA
ATTIVITA’ DELLA
HMG~CoA REDUTTASI
VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCoAR FINO A 200 VOLTE
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 attiva
forma 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 biosintesi
sotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo
via principale
STATINE
HO
X O
CH3
COOOH
Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi
HO
H3C
COOOH
O
CH3
R = CH3
X= H lovastatina
R = CH3
X= CH3 simvastatina
R
sono i composti più efficaci per
livelli di LDL (~ 50%)
sintesi colesterolo
sintesi del recettore per le LDL
(effetti modesti HDL)
effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo
anti-infiammatori
anti-aggreganti
miopatia (coenzima Q? canali ionici?
proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi?)
neuropatia, disturbi intestinali
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.)
tramite
PROTEOLISI CONTROLLATA
HMG~CoA reduttasi
2 DOMINI
dominio idrofilico
citosolico C-terminale
-catalitico
dominio idrofobico N-terminale ancorato al R.E.
che contiene un dominio sensibile agli steroli importante per la stabilità
DEGRADAZIONE accelerata in presenza di alti livelli
colesterolo tramite sistema ubiquitina-proteasoma
(emivita HMGCoAR ~3,5 h)
BIOSINTESI: regolazione trascrizionale
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
SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein
SENSORE DEL COLESTEROLO
contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCoA-R)
Alti livelli colesterolo - Interazione Insig - SCAP e
blcco di SREBP - nel RE
cytosol
ER
Bassi livelli di colesterolo
Complesso SCAP-SREBP
N-terminale forma solubile attiva nucleare
cytosol
GOLGI
S1P = proteasi del sito 1
S2P = proteasi del sito 2
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-BP
SI 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-BP
SI INNALZANO I LIVELLI
Regolazione epatica
intermediate-density lipoprotein IDL
SATURAZIONE RECETTORE
CALORIE TOTALI
TRIGLICERIDI
COLESTEROLO
DIETA IPOCALORICA
DIGIUNO
CATABOLISMO
SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO
Funzione nell’assorbimento dei lipidi
acido taurocolico
Idrossilato in C3, C7, C12
7-idrossilasi
Regolazione del catabolismo:
Acido
ascorbico O2
R.E.
Colesterolo
H2O
acido
deidroascorbico
7-idrossilasi (CYP7A1)
7 -idrossicolesterolo
–
CYP7A1
- indotta da colesterolo alimentare
- inibita da sali biliari
HMG-CoA reduttasi
ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO
BILE -82% H2O
5% colesterolo.
15% fosfatidilcolina
80% sali biliari
CIRCOLO ENTEROEPATICO
Sali biliari: sintetizzati 400 mg/die
riciclati 20-30 g/die
Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile
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
Controllo non farmacologico della colesterolemia
Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document
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
Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL
