12 Catabolismo ossidativo degli acidi grassi e chetogenesi

Catabolismo ossidativo degli acidi grassi

Il catabolismo degli acidi grassi si realizza principalmente attraverso una via ossidativa detta β-ossidazione, presente nei mitocondri di tutte le cellule dell’organismo, con qualche eccezione tra cui il cervello e i globuli rossi.

Infatti il cervello non utilizza metabolicamente gli acidi grassi circolanti perché questi non possono attraversare la barriera ematoencefalica e quindi non penetrano nel parenchima cerebrale, mentre i globuli rossi non possiedono mitocondri; questo spiega perché queste cellule vivono quasi esclusivamente di glucosio.

Attraverso la β-ossidazione non vengono prodotte direttamente molecole di ATP ma acetil CoA, FADH2 e NADH, la cui successiva ossidazione nei mitocondri si accompagna alla produzione di grandi quantità di ATP.

Metabolismo lipidico

Catabolismo ossidativo degli acidi grassi e metabolismo dei corpi chetonici.

Reazioni chimiche, regolazione e funzioni.

Caratteristiche della β-ossidazione

Le caratteristiche della β-ossidazione sono le seguenti:

• È intramitocondriale.
• Consiste in una serie ciclica di reazioni indipendenti.
• Tutti i suoi intermedi sono permanentemente legati al coenzima A.
• Libera frammenti bicarboniosi di acetil CoA entro i mitocondri.
• Si accompagna alla massiccia riduzione dei coenzimi FAD e NAD+.

Precursori dell’acetil-CoA. L’ox di una quantità di ac. grassi pari a una di carboidrati, libera una quantità di E maggiore, motivo per cui si preferisce depositare il Glu sottoforma di TG attraverso la conversione in ac. grassi e non sottoforma di glicogeno.

Altri motivi sono la ridotta disponibilità di spazio nel fegato, mentre il t. adiposo può aumentare di dimensioni. Inoltre il glicogeno contiene tanti gruppi ossidrilici => richiama acqua, cosa che non avviene nelle gocce lipidiche di TG => il peso del t. adiposo è minore e si previene una lisi delle cellule epatiche per accumulo di acqua.

Citoplasma lipidiche di TG.

Matrice mitocondriale.

Energia ottenibile dai principali componenti degli alimenti.

1 cal = 4,128 Joule.

Attivazione degli acidi grassi

Perché possano entrare nella loro via catabolica, gli acidi grassi, dopo essere stati assorbiti dalle cellule, devono essere attivati ad acil CoA (acil coenzima A) in una reazione a due tappe che richiede il consumo di una molecola di ATP e il cui equilibrio è ulteriormente spostato verso destra dalla contemporanea idrolisi del pirofosfato prodotto.

Il coenzima A (CoA), che lega anche intermedi di altre vie metaboliche, per esempio acido succinico, acido malonico, ecc., è un attivatore generale di acidi carbossilici. La sua è una molecola complessa prodotta dall’unione di un nucleotide adeninico con una vitamina del gruppo B, acido pantotenico, che possiede un gruppo OSH in grado di reagire con il gruppo carbossilico della molecola di un acido formando un intermedio attivato, tioestere.

Come tutte le molecole contenenti nucleotidi adenilici, il CoA e i suoi derivati, come l’acil CoA, non possono attraversare la membrana mitocondriale interna. L’acido grasso viene perciò trasferito dal CoA su una carnitina, molecola trasportatrice, in una reazione reversibile catalizzata dall’enzima carnitina aciltrasferasi I.

L’acilcarnitina così formata passa attraverso la membrana mitocondriale interna, dove esiste uno specifico trasportatore per questa molecola, che la scambia con la carnitina. Dentro i mitocondri, l’acido grasso è trasferito nuovamente su una molecola di CoA intramitocondriale rigenerando acil CoA e carnitina in una reazione catalizzata dall’enzima carnitina aciltrasferasi II.

Reazioni della β-ossidazione

All’interno dei mitocondri l’acil CoA subisce una serie ciclica di quattro reazioni catalizzate che portano al distacco di tanti frammenti bicarboniosi sotto forma di molecole di acetil CoA, la forma dell’acido acetico attivata con il CoA, in numero pari alla metà degli atomi di carbonio dell’acido grasso.

Le quattro reazioni catalizzate della β-ossidazione sono:

1. Una deidrogenazione FAD-dipendente.
2. L’idratazione dell’intermedio insaturo così prodotto.
3. La deidrogenazione NAD-dipendente dell’idrossiacil CoA prodotto.
4. La scissione della molecola del β-chetoacido formato con l’intervento di una molecola di CoA.

I prodotti finali di ogni ciclo di reazioni sono una molecola di acetil CoA, una di NADH, una di FADH2 e una molecola di acido grasso con due atomi di carbonio in meno della molecola di partenza. Questa subisce un secondo ciclo di reazioni con il distacco di un’altra molecola di acetil CoA, di coenzimi ridotti e la produzione di un acido grasso accorciato di altri 2 atomi di carbonio. Il ciclo di reazioni si ripete ancora più volte fino alla completa demolizione dell’acido grasso di partenza.

Nel caso dell’acido palmitico, uno degli acidi grassi più abbondanti nei trigliceridi, occorrono 7 cicli di reazioni, con il seguente bilancio finale:

Palmitoil CoA + 7 FAD + 7 NAD + 7 H2O —–—> 8 acetil CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+.

Nel caso di acidi grassi a numero dispari di atomi di carbonio, presenti soprattutto nel regno vegetale, la via della β-ossidazione procede regolarmente fino alla fine, quando i due prodotti che si liberano non sono due molecole di acetil CoA ma una molecola di acetil CoA e una di propionil CoA. Quest’ultimo prodotto viene successivamente carbossilato a metilmalonil CoA e quindi isomerizzato a succinil CoA in una reazione catalizzata da una isomerasi che utilizza come coenzima la vitamina B12.

L’acetil CoA prodotto nel catabolismo degli acidi grassi entra a far parte del pool mitocondriale di questa molecola, a cui contribuisce anche l’ossidazione dell’acido piruvico prodotto dalla glicolisi; esso entra nel metabolismo terminale, ciclo dell’acido citrico, mentre i coenzimi ridotti cedono gli elettroni, si ossidano, nella catena respiratoria e vengono riutilizzati nella loro forma ossidata.

Regolazione della β-ossidazione

REGOLAZIONE. La regolazione della β-ossidazione degli acidi grassi si basa fondamentalmente sulla disponibilità di queste molecole a livello mitocondriale: se un acido grasso è trasferito dal citosol al mitocondrio vi viene inevitabilmente degradato in modo controllato soltanto dalla disponibilità di coenzimi ossidati.

Gli ac. grassi sono utilizzati soprattutto per produrre E => via della β-ossidazione che porta alla sintesi di acetil CoA, FADH2 e NADH, che devono essere riossidati nella catena respiratoria => serve adeguata disponibilità di O2 => processo aerobio mitocondriale.

Avviene solo nelle cellule che possono internalizzare ac. grassi e hanno mitocondri. È un processo irreversibile, per cui sono richiesti enzimi completamente diversi da quelli usati nella sintesi degli ac. grassi, che rappresenta il processo opposto.

• Se l’ac. grasso è a lunga catena (>12 C) deve essere attivato nel citoplasma e poi veicolato nel mitocondrio attraverso lo shuttle della carnitina. Gli acil-carnitina vengono poi riconvertiti in acil-CoA nella matrice.
• Ac. grassi a corta e media catena veicolati dall’albumina, una volta internalizzati nella cellula, possono entrare direttamente nel mitocondrio attraversando la m.m.int senza intervento di carnitina. Vengono poi attivati ai corrispondenti acil CoA all’interno della matrice mitocondriale.
• Ac. grassi a lunga catena, che possono derivare dall’azione della PLP su chilomicroni e VLDL, o dalla mobilizzazione dei tessuti di deposito, vengono internalizzati dalle cellule per diffusione semplice o per ausilio di proteine e vengono inizialmente legati a proteine citoplasmatiche presenti nel citoplasma; in questo modo vengono attivati in forma di acil CoA.

Affinché possano essere trasportati nel mitocondrio, dato che la m.m.int è impermeabile, devono essere trasferiti sulla carnitina per formare acil-carnitina, che entra nel mitocondrio, dove avviene la reazione opposta: l’acile si lega al CoA mitocondriale liberando carnitina => si hanno gli acil CoA nel mitocondrio.

Shuttle della carnitina

CARNITINA = ac. grasso a 4 C. Può derivare dall’alimentazione, molto ricca ne è la carne, ma può essere sintetizzata dal fegato: l’epatocita può ultimare la sua sintesi utilizzando come precursore la Lisina => considerata come prodotto vitaminico in quanto l’organismo può sintetizzarla.

Tessuti ricchi di carnitina sono muscolo scheletrico e cardiaco, tessuti che fanno β-ossidazione per produrre E. Ha lo scopo di internalizzare gli acil CoA nel mitocondrio => ha funzione energetica e tampone dei gruppi acetili.

1. Energetica: perché senza di essa gli ac. grassi non possono essere ossidati.
2. Tampone dei gruppi acetili, non acili: perché quando l’acido grasso entra nel citoplasma della cellula, viene subito attivato ad acil CoA; il pool di CoA disponibile nel citoplasma è limitato. Il fatto che il CoA venga liberato dopo il legame alla carnitina, consente di mantenere un pool di CoA nel citoplasma e permette il continuo ingresso di ac. grassi => c’è sempre una quota di CoA che si può legare agli ac. grassi, che quindi possono entrare.

Inoltre il prodotto della β ox è la produzione di acetil CoA => servono molecole di CoA proporzionali al nº di ac. grassi che vengono ossidati. Bloccando gli acili con la carnitina, questa regola la produzione di acetil CoA = prodotto terminale, per questo regola gli acetili.

Per avere le elevate quantità di CoA, la carnitina lega l’acile, che altrimenti dovrebbe legarsi al CoA, => viene temporaneamente legato e ‘bloccato’ per poi essere rilasciato.

Negli atleti si pensa che aumentando il consumo di carnitina, si possa aumentare il consumo di ac. grassi perché si aumenta la disponibilità di CoA nella cellula e nel mitocondrio, aumentando l’ingresso di ac. grassi.

Reazioni di un ciclo di β-ossidazione

L’acido grasso entra nella cellula, viene attivato attraverso l’acil CoA sintetasi, presente sulla m.m.int.

CPT 1/CAT 1 transferasi = enzima sulla m.m.est con sito attivo rivolto nello spazio intermembrana. È una acil carnitina transferasi che trasferisce l’acile dal CoA sull’OH della carnitina => si forma acil carnitina e si libera CoA. L’acil carnitina formata nello spazio intermembrana viene traslocata nel mitocondrio.

CPT 2/CAT 2 = enzima sulla m.m.int con sito attivo nella matrice. Catalizza la formazione dell’acil CoA nel mitocondrio. La carnitina liberata, attraverso la traslocasi, viene riportata nello spazio intermembrana in antiporto con l’acil carnitina che entra dallo spazio intermembrana.

Gli ac. grassi a corta e media catena entrano come ac. grassi liberi e la loro attivazione ad acil CoA avviene grazie all’intervento di specifiche acil CoA sintetasi per acidi grassi a corta, media e lunga catena.

L’acido grasso saturo a lunga catena, attivato come acil CoA può quindi subire le 4 reazioni:

1. Deidrogenazione: inserimento di un doppio legame tra il Cα e il Cβ dell’acile. L’acil CoA deidrogenasi utilizza come coenzima il FAD => sono flavoproteine che catalizzano una redox. Ne esistono 3 isoforme specifiche. Si forma il trans enoil CoA. Il FAD ridotto a FADH2 sarà riox nella catena respiratoria, 1,5 mol di ATP.
2. Idratazione: agisce in maniera stereospecifica sul doppio legame aggiungendo acqua in modo che OH sia sul Cβ e H sul Cα => si forma idrossi-acil CoA.
3. Deidrogenazione: ox dell’OH in β a gruppo cheto, coenzima = NAD che si riduce a NADH, riox producendo 2,5 molecole di ATP, => deidrogenasi β chetoacil CoA piridinica NAD-dipendente che forma acil CoA.
4. Idrolisi: la tiolasi scinde il legame Cα-Cβ del chetoacil CoA con liberazione di 2 C come CoA e inserimento di un altro CoA sul C cheto, che viene ox a gr. carbossilico formando un acil CoA ridotto di 2 C rispetto a quello di partenza. Questo può essere sottoposto nuovamente a questa serie di reazione.

Si chiama β ossidazione perché il C che viene ossidato è il Cβ, dove poi viene rotto il legame.

L’acile che si viene a formare subisce le 4 reazioni a sua volta e subisce tanti cicli di ossidazione quanti sono i suoi legami finché non vengono scissi tutti i legami, ac. palmitico ad esempio subisce 7 cicli.

Catabolismo ossidativo degli acidi grassi

NB: un ac. grasso con n° pari di C, subendo un n° di cicli ossidativi pari al n° di atomi di C diviso 2, produrrà come prodotto finale della β ox acetil CoA, FADH2 e NADH, prodotti terminali del ciclo.

Acidi grassi a catena corta e media.

• Ossidazione: è un processo mitocondriale.
• È una via prettamente aerobica.
• Porta alla formazione di acetil CoA, NADH e FADH2, in quantità variabile a seconda della lunghezza della catena.
• È un processo irreversibile (ΔG’° < 0).

Attivazione dell’acido grasso.

Sistema di trasporto dell’acil-CoA.

Attivazione dell’acido grasso a catena corta e media.

Se l’acido grasso è a catena lunga (C12-C20) è necessario:

• Attivazione dell’acido grasso ad acil-CoA.
• Un sistema di trasporto dell’acil-CoA dal citoplasma alla matrice mitocondriale.

Meccanismo di attivazione degli acidi grassi nel citoplasma e mitocondrio.

Acil-CoA sintetasi, tre isoforme specifiche per acidi grassi a corta, media e lunga catena.

ΔG’° = -19 kJ/mol.

ΔG’° = -15 kJ/mol.

Legame tioestereo ad alto contenuto energetico.

Sistema di trasporto dell’acil-CoA dal citoplasma al mitocondrio, a lunga catena: “shuttle della carnitina”.

Acile Carnitina.

• Tessuti più ricchi di carnitina: muscolo scheletrico e cardiaco.
• Può derivare dagli alimenti, carne, o essere biosintetizzato nel fegato e rene a partire dalla Lys, composto vitamino-simile.
• Trasportatore di acil CoA nel mitocondrio o per la loro escrezione via renale, sistema antiporto.
• Funzione energetica e funzione tampone.

Ossidazione di un acil-CoA

Reazioni di un ciclo di β-ossidazione.

“Acil-CoA con “ atomi di C.

Acil-CoA deidrogenasi e FAD => ETF, ETF-QO, CoQ, cit … e 1,5 ATP.

Tre isoforme specifiche per acidi grassi a corta, media e lunga catena.

trans Δ²-Enoil-CoA.

Enoil-CoA idratasi => L-β-idrossi acil-CoA.

β-idrossi acil-CoA deidrogenasi, NAD => Complesso I, CoQ, cit … e 2,5 ATP.

β-chetoacil-CoA.

β-chetotiolasi => Acetil-CoA.

Acil-CoA con “ atomi di C - 2.

Ossidazione completa di un acil-CoA saturo a n° pari di atomi di C e resa energetica

Dato che vengono liberati FADH2 e NADH, questi possono essere utilizzati per sintetizzare ATP nella catena respiratoria:

• FADH2 cede e- alla flavoproteina trasportatrice di e-, che produce anch’essa FADH2, che viene riox .... => la riossidazione non avviene a livello del complesso 2, ma Palmitoil-CoA richiede un’altra via di ingresso che prevede la cessione di e- al coenzima Q => produzione di 1,5 moli di ATP per ogni mole di FADH2 ossidata.
• NADH invece viene riossidato a NAD attraverso il complesso 1 => 2,5 molecole di ATP.

7 CoASH (C16:0).

1 FADH2, 1 NADH.

125 36 4. Si devono aggiungere le moli di ATP che vengono prodotte dall’acetil CoA, che v