12 Catabolismo ossidativo degli acidi grassi e chetogenesi

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

acetil CoA, FADH2 e NADH,

molecole di ATP ma 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

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

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 nn 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

Citoplasma lipidiche di TG => il peso del t.adiposo è

minore e si previene una lisi delle cellule

epatiche per accumulo di acqua.

Matrice

mitocondriale

Energia ottenibile dai principali

componenti degli alimenti

1 cal = 4,128 Joule

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 carnitina,

molecola trasportatrice,

mitocondriale interna. L’acido grasso viene perciò trasferito dal CoA su una la in una

carnitina aciltrasferasi I.

reazione reversibile catalizzata dall’enzima

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

carnitina aciltrasferasi II.

dall’enzima

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:

deidrogenazione

1. una FAD-dipendente

2. l’idratazione dell’intermedio insaturo così prodotto

deidrogenazione

3. la NAD-dipendente dell’idrossiacil CoA prodotto

scissione

4. la 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. palmitico,

Nel caso dell’acido uno degli acidi grassi più abbondanti nei

trigliceridi, occorrono 7 cicli di reazioni, con il seguente bilancio finale:

PalmitoilCoA + 7FAD + 7NAD + 7H2O —–—> 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

acetil CoA propionil CoA.

liberano non sono due molecole di acetil CoA ma una molecola di e una di Quest’ultimo prodotto

viene successivamente carbossilato a metilmalonil CoA e quindi isomerizzato a succinil CoA in una reazione catalizzata da

isomerasi

una 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 DEREGOLAZIONE

La della 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. β ossidazione,

Gli ac.grassi sono utilizzati sopratt per produrre E –> via della che porta alla sintesi di acetilCoA, FADH2 e

NADH, che devono essere riossidati nella catena respiratoria => serve adeguata disponibilità di O2 –> PROCESSO AEROBIO

MITOCONDRIALE. mitocondri. irreversibile,

Avviene solo nelle cellule che possono internalizzare ac.grassi e hanno È un processo 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-carnitiva 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 acilCoA

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 acilCoA.

Affinchè possano essere trasporati nel mitocondrio, dato che la m.m.int è impermeabile, devono essere trasferiti sulla

carnitina per formare acil-carnitina, che entra nel mitocondio, dove avviene la reaz opposta: l'acile si lega al CoA

mitocondiale liberando carnitina => si hanno gli acil CoA nel mitocondrio.

SHUTTLE DELLA CARNITINA

CANITINA = ac.grasso a 4C. Può derivare dall'alimentazione (molto ricca ne è la carne), ma può essere

Lisina

sintetizzatato dal fegato: l'epatocita può ultimare la sua sintesi utilizzando come precursore la => 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 acilCoA nel

mitocondrio => ha funzione E e tampone dei gruppi acetili

Energetica

1. perchè senza di essa gli ac.grassi non possono essere ossidati

Tampone dei gruppi acetili

2. (non acili) perchè quando l'acido grasso entra nel citoplasma della cellula, viene

subito attivato ad acilCoA; 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 smpr 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 acetilCoA => servono molecole di CoA proporzionali al nº di ac.grassi

che vengono ossidati. Bloccando gli acili con la carnitina, questa regola la produzione di acetilCoA = 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 perchè si

aumenta la disponibilità di CoA nella cellula e nel mitocondrio, aumentando l'ingresso di ac.grassi

REAZIONI DI UN CICLO DI βOSSIDAZIONE

CoA sintetasi,

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

CPT 1/CAT 1 transferasi

= enzima sulla m.m.est con sito attivo rivolto nello spazio intermembrana. È una che

acil carnitina

trasferisce l'acile dal CoA sull'OH della carnitina => si forma 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'acilCoA 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.grasi liberi e la loro attivazione ad acil CoA avviene grazie

acilCoA sintetasi

all'intervento di specifiche per acidi grassi a corta, media e lunga catena.

L'acido grasso saturo a lunga catena, attivato come acilCoA può quindi subire le 4 reazioni

deidrogenasi

1. DEIDROGENAZIONE: inserimento di un doppio leg tra il Cα e il Cβ dell'acile. L'acilCoA utilizza

come coenzima il FAD => sono flavoproteine che catalizzano una redox. Ne esistono 3 isoforme specifiche. Si

trans enoilCoA.

forma il Il FAD ridotto a FADH2 sarà riox nella catena respiratoria (1,5 mol di ATP)

idratasi

2. IDRATAZIONE: agisce in maniera stereospecifica sul doppio leg aggiungendo acqua in modo che OH sia

idrossi-acilCoA

sul Cβ e H sul Cα –> si forma

3. DEIDROGENAZIONE: ox dell'OH in β a gruppo cheto, coenzima = NAD che si riduce a NADH (riox producendo

deidrogenasi β chetoacil CoA

2,5 molecole di ATP) => piridinica NAD-dipendente che forma

tiolasi

4. IDROLISI: scinde il leg Cα-Cβ del chetoacilCoA con liberazione di 2C come Coa e inserimento di un altro

CoA sul C cheto, che viene ox a gr.carbossilico formando un acilCoA ridotto di 2C rispetto a quello di partenza.

Questo può essere sottoposto nuovamente a questa serie di reazione.

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

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 finchè non vengono scissi tutti i legami (ac.palmitico ad es subisce 7 cicli).

Catabolismo ossidativo degli acidi grassi

NB: un ac grasso con n° pari di C, subendo un n° di cicli Acidi grassi

ossidativi pari al n° di atomi di C diviso 2, produrrà come a catena

prodotto finale della β ox acetilCoA, FADH2 e NADH (= corta e media

prodotti terminali del ciclo)

-ossidazione

- è un processo mitocondriale Attivazione dell‛acido grasso

- è una via prettamente aerobica

- porta alla formazione di acetilCoA,

NADH e FADH (in quantità variabile

2 Sistema di trasporto dell‛acil-CoA

a seconda della lunghezza della

catena)

- è un processo irreversibile (ΔG‛° < 0)

Attivazione dell‛acido

grasso a catena

corta e media

Se l‛acido grasso è a catena lunga (C -C )

12 20

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

(a lunga catena)

mitocondrio: “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) (sistema

- trasportatore di acilCoA nel antiporto)

mitocondrio o per la loro

escrezione via renale

(funzione energetica e funzione

tampone) -ossidazione

Reazioni di un ciclo di -Ossidazione di un acil-CoA

n“

Acil-CoA con “ atomi di C

- -

e - -

Acil-CoA deidrogenasi e e e 1,5 ATP

(ETF ETF-QO CoQ cit …)

(tre isoforme specifiche per acidi grassi

a corta, media e lunga catena) trans Δ -Enoil-CoA

2

Enoil-CoA idratasi L-β-idrossi acil-CoA

-

e - -

acil-CoA e e 2,5 ATP

β-idrossi (Complesso I CoQ cit …)

deidrogenasi acil-CoA

β-cheto

tiolasi

β-cheto Acetil-CoA

n-2“

Acil-CoA con “ atomi di C

-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 sontetizzare 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 coenzimaQ => produzione di 1,5 moli di ATP per ogni

7 CoASH (C16:0) mole di FADH2 ossidata

• NADH invece viene riossidatoma NAD attraverso il

1 FADH , 1 NADH complesso 1 => 2,5 molecole di ATP

2

1

2

5 3

6 4 Si devono aggiungere le moli di ATP che vengono prodotte

dall'acetilCoA , che v