Appunti secondo semestre

Biochimica II semestre: catabolismo dei lipidi

Tipologie di lipidi

I lipidi vengono divisi in:

• Semplici: possono essere descritti come monomeri (es. acidi grassi e colesterolo).
• Complessi: molecole di natura lipidica costituite da pezzi autonomamente descrivibili che contribuiscono a definire la molecola nel suo complesso (es. trigliceride = glicerolo + 3 acidi grassi o fosfolipidi o colesterolo esterificato).

Le due classi di lipidi hanno una distinzione fondamentale in termini di processi che attengono a digestione, assorbimento, trasporto e scambio. I lipidi complessi hanno una maggiore densità per unità di volume perché sono molecole profondamente idrofobiche (sono mascherati i gruppi carbossilici e ossidrilici) escludono acqua. La forma lipide complesso è la forma preferita per i processi di trasporto e immagazzinamento delle molecole lipidiche perché si lavora con volumi piccoli in cui si addensa molto materiale. I lipidi semplici sono più facilmente scambiabili perché sono più piccoli e facilmente trasportati attraverso la membrana.

Metabolismo lipidico

I lipidi possono venire introdotti con la dieta o formati dal fegato in seguito a surplus energetico. Possono essere immagazzinati come trigliceridi nel tessuto adiposo o essere usati dai tessuti che sono in grado di utilizzarli a scopo energetico. I principali tessuti con metabolismo di tipo aerobico includono muscolo, fegato e cuore. I lipidi del tessuto adiposo possono essere anche usati a scopo energetico.

Digestione

I lipidi sono digeriti a livello buccale, gastrico e intestinale. Le lipasi sono enzimi che rompono il legame estereo tra acido grasso e glicerolo, funzionano come idrolasi.

Lipasi cavo orale

La lipasi a livello del cavo orale è la lipasi linguale. Ha una funzione importante nel neonato quando non è attivo ancora perfettamente il sistema a livello intestinale, in questo caso rappresenta il 50% dell’attività lipolitica. Lavora a pH neutro o acido.

Lipasi stomaco

La lipasi linguale non è inattivata a livello gastrico, nello stomaco è presente una lipasi gastrica che svolge il 30% dell’attività totale. Le lipasi linguale e gastrica, al contrario delle lipasi intestinali, non hanno bisogno di sali biliari perché i trigliceridi riescono ad essere mantenuti in sospensione grazie all’attività di idrolisi di fosfolipidi che generano molecole in grado di fare micelle. A livello gastrico arriva alla formazione di diacilgliceroli; le lipasi gastriche sono in grado di staccare un acido grasso a corta o media catena.

Lipasi intestino

Acidi grassi e digliceridi sono degradati a livello intestinale. Gli acidi grassi che si formano a livello intestinale sono in grado di stimolare il rilascio da parte delle cellule dello stomaco di colecistochinina, che stimola lo svuotamento della colecisti, la secrezione biliare e di succhi pancreatici. I lipidi complessi sono mantenuti in sospensione nell’intestino grazie a una struttura con core idrofobico contornato da sali biliari che hanno struttura anfipatica. I sali biliari derivano dal colesterolo e hanno una struttura per cui i 4 gruppi idrofilici (3 idrossilici e 1 carbossilico) sono esposti tutti da un lato del piano identificato dall’anello steroideo. Queste strutture sono un punto di attacco per la lipasi rilasciata a livello pancreatico, che ha bisogno di colipasi che apre un varco esponendo il legame estereo nella superficie determinata dagli acidi biliari che altrimenti inibirebbero la lipasi. Questa lipasi lavora sugli acidi grassi legati alla funzione alcolica primaria del glicerolo (1 e 3).

Assorbimento

Apolipoproteine

A livello intestinale abbiamo degradato i trigliceridi in monoacilglicerolo e acidi grassi che diffondono nell'enterocita. Assembliamo acidi grassi e monoacilglicerolo in trigliceridi; per far sì che possano essere mantenuti in sospensione, li assembliamo in chilomicroni, che sono strutture di tipo lipoproteico, generando una struttura che possa essere rilasciata in circolo. Ci sono trigliceridi circolanti che derivano dagli epatociti; quando nel fegato abbiamo un eccesso di energia (eccesso di acetil CoA), formiamo trigliceridi per condensazione di acidi grassi con glicerolo attivato a glicerofosfato. I trigliceridi nel fegato derivano da molecole non di natura lipidica. Vengono assemblati in strutture che ne permettono la circolazione, le VLDL (very low density lipoproteins).

Entrambe le strutture hanno un core idrofobico verso cui sono esposte le code apolari idrofobiche di fosfolipidi e colesterolo. Le proteine aiutano al mantenimento di questa struttura e servono al riconoscimento.

• Chilomicroni: 86% trigliceridi; 2% colesterolo; densità minore di 0.95; apoproteina B48.
• VLDL: 55% trigliceridi; 7% colesterolo; densità intorno a 1; apoproteina B100.

In circolo, queste strutture assumono altre lipoproteine che sono rispettivamente A, C ed E. Le lipoproteine in circolo assumono per scambio con altre lipoproteine apo CII, che è un elemento fondamentale per il riconoscimento da parte delle lipoproteine lipasi.

Internalizzazione

Sull’endotelio adiacente ai tessuti che usano acidi grassi sono presenti apolipoproteine lipasi sintetizzate dai tessuti che hanno bisogno di acidi grassi. Le due strutture sono grandi e, per le loro dimensioni, devo avere che l’apolipoproteine lipasi non abbia il sito catalitico attaccato alla membrana, per evitare un impedimento sterico nell'interazione tra substrato ed enzima. Ho un ectoenzima dove il sito catalitico è proiettato lontano dal piano della membrana usando un’ancora di eparansolfato. Il substrato è ancorato all’enzima grazie alla presenza di apo CII.

Metabolismo

Mobilizzazione dei lipidi di riserva

A livello del tessuto adiposo l’internalizzazione avviene allo stesso modo, riconverto in trigliceridi per l’immagazzinamento, occupando tutto il volume di impaccamento con materiale energeticamente utile. Ho sempre un sistema che li mantiene in sospensione; la corona superficiale che avvolge i trigliceridi è costituita da perilipina.

Quando il tessuto adiposo deve fornire energia agli altri tessuti sotto forma di acidi grassi, c’è un segnale ormonale, come il glucagone (fame) o l’adrenalina (stress). Lo stimolo viaggia attraverso un sistema di trasduzione del segnale PKA mediato e arriva a fosforilare la perilipina. La fosforilazione della perilipina cambia la sua struttura rendendola più polare, facendo sì che la proteina (CGI), associata alla perilipina quando non è fosforilata, si stacchi in seguito alla fosforilazione e agisca come fattore di reclutamento di trigliceridi lipasi, che converte triacilglicerolo in diacilglicerolo, che è idrolizzato da lipasi ormone-sensibile, attivata per fosforilazione da PKA in seguito allo stimolo da glucagone o adrenalina. Interviene poi una monogliceridi lipasi che trasforma in glicerolo e acido grasso, regolata dai substrati.

Trasporto

Gli acidi grassi non possono circolare liberamente nel sangue ma vengono veicolati dai tessuti che ne hanno bisogno in un meccanismo proteina assistito, tramite albumina. I lipidi semplici associati all’albumina scambiano con i tessuti che ne hanno bisogno. Quando non c’è surplus energetico, la fonte di acidi grassi è rappresentata dal tessuto adiposo.

Utilizzo acidi grassi

Gli acidi grassi vengono ossidati completamente in maniera aerobica con formazione di acetil CoA; è un processo mitocondriale dipendente da O₂. Solo il glucosio ha metabolismo ossidativo citoplasmatico che permette la vita in condizioni di anaerobiosi.

La molecola entra nel citoplasma e deve essere attivata per poi essere indirizzata all’ossidazione. L’acido grasso attivato deve poi entrare nel mitocondrio, ma l’acil CoA mitocondriale non scambia con quello citoplasmatico; lo scambio avviene grazie alla carnitina. L’ossidazione avviene poi per successivo distacco di unità carboniose generando NADH e FADH₂ che possono essere riossidati nella catena respiratoria.

Ossidazione

Attivazione

Utilizza ATP ma non ritrovo P nel prodotto finale come acil CoA. L’ATP viene utilizzato per la formazione di una forma attivata intermedia dell’acile (acil adenilato rarr; acile + AMP) con liberazione di pirofosfato, formando un legame fosfoanidridico (legame tra due acidi) ad alta energia con lo stesso contenuto energetico del legame finale. Sostituisco AMP con coenzima A, formando un legame tioestere con liberazione di AMP. La reazione è catalizzata dall’acil CoA sintetasi. Questo processo è isoergonico; la reazione è resa esoergonica dall’idrolisi di pirofosfato.

Traslocazione nel mitocondrio

Dopo l’attivazione, per essere ossidato, l’acido grasso deve essere traslocato nel mitocondrio. Il trasporto prevede l’intervento di una molecola carrier, la carnitina. L’acido grasso attivato viene trasferito alla carnitina sulla funzione ossidrilica dalla carnitina aciltransferasi I, associata alla membrana esterna del mitocondrio, con il sito catalitico verso l'ambiente citoplasmatico. Avviene la formazione di acil carnitina, con liberazione di H SCoA. La carnitina diffonde nel mitocondrio nello spazio intermembrana; a livello della membrana mitocondriale interna, il carrier per la carnitina lavora in antiporto (trasportatore facilitato passivo), trasportando l’acil carnitina dal citoplasma al mitocondrio e in antiporto, trasporta fuori carnitina. La carnitina aciltransferasi II trasferisce il residuo acilico dalla carnitina a CoA SH. La carnitina aciltransferasi è l'elemento principale di regolazione degli acidi grassi nella ossidazione; può essere inibita da malonil βCoA, un intermedio della biosintesi di acidi grassi, indicando che se la cellula deve sintetizzare acidi grassi, non li demolisce.

Carnitina

La carnitina deriva da aminoacidi legati alle proteine, usando lisine di alcune proteine. La lisina viene metilata formando trimetil lisina. Il donatore di gruppi metilici è S adenosilmetionina. Con attività proteasica viene staccata la trimetil lisina, che viene poi ossidata in posizione dove il gruppo OH facilita la scissione da parte di aldolasi, rilasciando un residuo di glicina e generando desossi carnitina. Interviene una seconda idrossilazione vitamina C dipendente che introduce il gruppo ossidrilico nella posizione 3. Questo processo vede la collaborazione di diversi tessuti; solo due tessuti sono autonomi (fegato e rene), in grado di arrivare a desossicarnitina e poi idrossilarla, grazie a un enzima espresso in fegato e rene. Gli altri tessuti possono generare desossicarnitina, ma non idrossilarla; la desossicarnitina ha un sistema di trasporto.

Ossidazione β degli acidi grassi saturi

L'ossidazione β è alla base della ossidazione dell’acido grasso; è un processo ossidativo che permette la riduzione a frammenti a 2C (acetil CoA, che alimenta il ciclo di Krebs). Il legame σ è molto difficile da rompere, ma l'ossidazione rende labile il legame per scinderlo con facilità tramite processo ossidativo. La prima reazione della ossidazione β è catalizzata dalla acil CoA deidrogenasi, FAD dipendente, e produce FADH₂ (legame C-C) e un enoil derivato, formando un doppio legame C=C. Questa molecola è poi idratata con enoil idratasi, formando un idrossi acil derivato convertito in una reazione NAD dipendente in chetoacil derivato dalla idrossiacil CoA deidrogenasi. Il legame che prima era doppio è ora scindibile e si scinde usando una molecola di CoA SH con una tiolasi, ottenendo acetil CoA e l’acido grasso privato di 2C.

Rendimento energetico

Se l’acido grasso è a 16 C, faccio 7 tagli; il numero di molecole di acetil CoA che si forma è n/2. Per ogni taglio, ottengo FADH₂ e NADH; n-2/2 NADH e FADH₂. Nel mitocondrio, NADH e FADH₂ possono essere riossidati ottenendo un gradiente protonico che permette la sintesi di ATP. L’acetil CoA che si forma va ad alimentare il ciclo di Krebs; per ogni acetil CoA, ho la potenzialità di ottenere 2CO₂ +1 ATP + 3 NADH + 1 FADH₂.

Se ho una molecola con n atomi di C, con n pari a 16, saturo, ottengo dall’ossidazione dell’acido grasso:

• 7 NADH: 2.5 ATP x 7 = 17.5
• 7 FADH₂: 1.5 ATP x 7 = 10.5
• 8 acetil CoA: 10 ATP (considerando anche NADH e FADH₂) x 8 = 80; in totale 108

Ma per poter attivare l’acido grasso spendo ATP, consumando due legami ad alta energia perché produco AMP; per produrre ATP, devo sintetizzare due legami ad alta energia; in totale, 106 ATP. Il glucosio al massimo arriva a 32 ATP, quindi conviene accumulare energia come acidi grassi.

Questo se l’acido grasso è saturo e con numero pari, ma anche nei trigliceridi, che sono lipidi di riserva, uno degli acidi grassi, ovvero quello in 2, è obbligatoriamente insaturo. Per ogni doppio legame, perdo il guadagno di una molecola di FADH₂, perché la reazione che introduce il doppio legame usa un enzima FAD dipendente; se ho già il doppio legame, me lo perdo. L’evoluzione non ha selezionato acidi saturi che hanno una resa energetica più alta perché non sono compatibili con la vita; anche se dal punto di vista energetico è uno svantaggio, dal punto di vista vitale è fondamentale.

Acidi grassi insaturi

L’acido linoleico è un C18 con 2 Δ 9 12 (2 doppi legami in posizione 9 e 12), è essenziale, ci sono acidi grassi che non sappiamo sintetizzare. I doppi legami di sintesi sono in cis, il doppio legame che introduciamo con l’ossidazione è in trans, i due processi non hanno intermedi comuni.

Faccio 3 ossidazioni β senza impedimenti, arrivo al doppio legame 3-4 che mi impedisce di fare doppio legame; avrei un C in due coppie di doppi legami. Interviene una enoil CoA isomerasi che sposta e cambia la configurazione del doppio legame da 3-4 cis a 2-3 trans. A questo punto ho un assetto uguale a quello che genererei nel processo di ossidazione β; perdo FADH₂ perché ho già il doppio legame.

Ora ho il doppio legame in 4-5 in cis, introduco temporaneamente il doppio legame 2-3 con una deidrogenasi (produce FADH₂) e subito dopo lo riduco con una reduttasi, ricombinando i doppi legami e arrivando a un doppio legame tra 4 e 3 in cis. La reduttasi richiede il consumo di NADPH a NADP+. I doppi legami in posizione dispari sono convertiti dall’isomerasi, quelli in posizione pari dalla reduttasi e dall’isomerasi.

Acidi grassi a numero dispari di atomi di C

Generalmente sono di origine vegetale e pochi. In un acido grasso a numero dispari saturo, l’ultimo taglio di ossidazione β genera una molecola a 3 C; non posso lasciare formiato (1C), quindi genera propionil CoA, che recupero attraverso un meccanismo che riporta quella molecola a una a 4C. Il propionil CoA viene carbossilato in α e l’enzima che catalizza questa carbossilazione è una propionil CoA carbossilasi, ATP e biotina dipendente, generando D-metilmalonil CoA, una struttura ramificata. La metilmalonil CoA epimerasi lo converte in L. La metilmalonil CoA mutasi catalizza la trasformazione in succinil CoA, vitamina B₁₂ dipendente. H è trasferito su B₁₂, formando una struttura radicalica che permette il trasferimento del gruppo CoA-S C₂O. Il succinil CoA può essere introdotto in Krebs o essere una fonte di ossalacetato, un intermedio della gluconeogenesi, unica possibilità di avere un glucosio sintetizzato a partire da acido grasso.

Ossidazione nei perossisomi

L’ossidazione β può lavorare su tutti gli acidi grassi ma ha specificità da C16 a C20. Ci sono molecole di acidi grassi molto grandi che devono essere accorciate nei perossisomi prima di poterle usare in maniera efficace a livello mitocondriale. Abbiamo le stesse reazioni presenti a livello mitocondriale, catalizzate da enzimi diversi che rendono questa parte del processo meno performante dal punto di vista energetico.

La reazione è catalizzata da acil CoA ossidasi (deidrogenasi, ossidasi si usa quando l’accettore è ossigeno); usa come elemento che si riduce ossigeno, abbiamo un’ossidazione dell’acido grasso con introduzione doppio legame; H₂ da FADH₂ all’ossigeno. L’ossigeno molecolare diventa H₂O₂ e deve essere convertito in due molecole d’acqua, tramite catalasi.

Corpi chetonici

Il destino dell’acetil CoA del mitocondrio è poter essere utilizzato per l’ossidazione completa nel ciclo di Krebs. L’acetil CoA può essere ossidato completamente nel ciclo di Krebs se è disponibile ossalacetato corrispondente alla disponibilità di acetil CoA generato dall’ossidazione di acidi grassi. Ma, ad esempio, nel fegato, la quantità di ossalacetato può essere ridotta durante la gluconeogenesi. In questa condizione, l'acetil CoA in eccesso viene maneggiato dall’epatocita nella via dei corpi chetonici.

Questa via parte dalla condensazione delle molecole di acetil CoA grazie a tiolasi (lavorando in senso inverso) in acetoacetil CoA, che va incontro a condensazione con acetil CoA formando un composto a 6 C, idrossi β metilglutaril CoA. Viene perso un acetil CoA e in questo modo perdiamo il CoA, ottenendo acetoacetato. L’acetoacetato può essere convertito in idrossibutirrato, la sua forma ridotta; l’equilibrio tra le due forme è determinato dal rapporto NADH/NAD.