Appunti Biochimica e applicazioni biotecnologiche nella patologia

L'OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI A CATENA PARI

Il processo di ossidazione degli acidi grassi (principalmente acido palmitico saturo a 16 atomi di carbonio, acido palmitoleico insaturo a 16 atomi di carbonio, acido stearico saturo a 18 atomi di carbonio e acido oleico insaturo a 18 atomi di carbonio) avviene nella matrice mitocondriale ed in parte nei perossisomi. Per essere metabolizzati e per evitare la formazione di micelle, gli acidi grassi devono essere attivati con spesa energetica all'interno del citosol mediante coniugazione con un coenzima A a formare un acil-CoA ad opera dell'enzima acil-CoA sintetasi localizzato sulla membrana mitocondriale esterna (di cui esistono diverse isoforme per gli acidi grassi a catena lunga, media e corta), in particolare il gruppo carbossilico dell'acile reagisce con il fosforo α di un ATP formando un intermedio di acil-adenilato, da cui è liberato un AMP per ottenere acil-CoA (contiene un legame tiostere) e un pirofosfato.

inorganico.Acido grasso + CoA-SH + ATP Acil-SCoA + AMP + PPiN.B. La reazione di coniugazione dell'acido grasso con il coenzima A è favoritatermodinamicamente (ΔG'°= -34 kJ/mol). Queste sostanze possono entrare per trasporto passivo se presentano un numero di atomidi carbonio inferiore a 12 attraverso la carnitina (derivato dell'arginina) sulla quale vienelegato l'acile mediante l'enzima carnitina aciltransferasi I presente sulla membranamitocondriale esterna lasciando a livello citoplasmatico il coenzima A in modo damantenere distinti i pool di coenzima A del citosol e del mitocondrio. Il complesso carnitina-acile viene trasportato nella matrice mitocondriale dove diventa substrato dell'enzimacarnitina aciltransferasi II presente sulla membrana mitocondriale interna per permetterela coniugazione dell'acile con un coenzima A mitocondriale e la liberazione della carnitina.

[Il processo di ossidazione degli acidi grassi è

limitato dalla velocità di trasferimento degli acil-CoA da parte della carnitina. N.B. I pool citosolici e mitocondriali di coenzima A devono essere mantenuti distinti perché nel mitocondrio questa molecola interviene nella degradazione ossidativa del piruvato, degli acidi grassi e degli amminoacidi chetogenici, mentre nel citosol partecipa solo all'attivazione degli acidi grassi destinati all'ossidazione o alla sintesi di lipidi. In seguito all'entrata nella matrice mitocondriale, l'acil-CoA viene ossidato sui carboni α e β (più vicini al legame tioestere) utilizzando come potere riducente il nucleotide flavinico FAD per formare un derivato insaturo trans, che viene idratato a β-idrossiacil-CoA (OH sul carbonio β, mentre l'idrogeno va sul carbonio α). Il legame idrossile in β viene ossidato ad opera di una deidrogenasi che utilizza il cofattore nicotinammidico NAD per formare un β-chetoacil-CoA.

presenta un legame carbonilico adiacente al legame tioestere, quindi mediante l'enzima tiolasi, che trasferisce i primi due carboni adiacenti al legame tioestere su un coenzima A, si forma una molecola di acetil-CoA e un acil-CoA più corto di due carboni. Questo ciclo di reazioni si ripete fino a quando la molecola di acil-CoA viene trasformata in acetil-CoA.

N.B. Il numero di acetil-CoA prodotti è uguale alla metà del numero di atomi di carbonio della molecola di acil-CoA iniziale e vengono effettuati un numero di cicli e prodotte molecole di FADH e NADH pari alla metà del numero di atomi di carbonio diminuita di 2 unità (quindi dal palmitoil-CoA a 16 atomi di carbonio vengono formate 8 molecole di acetil-CoA, 7 di FADH e 7 di NADH attraverso 7 cicli di reazione).

Palmitoil-SCoA + 7CoA-SH + 7FAD + 7NAD + 7H2O ➔ 8Acetil-SCoA + 7FADH2 + 7NADH + 7H+ + 2ATP

Dagli acetil-CoA che entrano nel ciclo di Krebs si formano 8 ATP, 24 NADH e 8 FADH2.

Consumo di 2 ATP.

legami fosfoanidridici per l'attivazione dell'acile.➔ Da un FADH si ottengono circa 1,5 molecole di ATP e da un NADH se ne ottengono➔ 2circa 2,5. Quindi in totale si formano: 8 +(24+7)*2,5 + (8+7)*1,5 – 2 = 106 ATP con una resa energetica totale di -9.800 kJ/mol + 106*30,5 kJ/mol =-6567 kJ/mol. [Dove -9.800 kJ/mol è la resa energetica di una mole di acidi grassi in quanto presentano un livello di riduzione maggiore rispetto al glucosio e 3233 kJ/mol è la spesa energetica per la formazione dell'ATP] N.B. L'enzima acil-CoA deidrogenasi che permette la formazione dell'intermedio insaturo è associato ad altre flavoproteine che trasferiscono gli elettroni al coenzima Q (così come la succinato deidrogenasi del ciclo di Krebs era associata al complesso II della catena respiratoria). [Considerazione: il lavoro è il prodotto della forza per uno spostamento quindi, assimilandola forza di gravità a 10 N, l'energia necessaria per

grassi.

tricarbossilici.I CORPI CHETONICIIn caso di digiuno prolungato, gli epatociti utilizzano come fonte di energia esclusivamente gli acidi grassi per evitare la deplezione di glucosio per gli organi glucosio-dipendenti e ciò comporta un accumulo di acetil-CoA che se non eliminato determinerebbe un blocco della β-ossidazione a causa della mancanza di coenzima A, quindi per rifornire il pool di questa sostanza, le molecole di acetil-CoA in eccesso vengono inviate alla via di formazione dei corpi chetonici.I corpi chetonici si formano a partire da 3 molecole di acetil-CoA a livello mitocondriale, in particolare nella matrice mitocondriale 2 acetil-CoA condensano grazie all'enzima tiolasi a formare l'acetoacetil-CoA che viene convertito per aggiunta di un acetil-CoA in β-idrossi-β-metilglutaril-CoA dall'enzima HMG-CoA sintasi. Se questo intermedio si trova a livello citosolico diventa un precursore della via di biosintesi del colesterolo, mentre se si

localizzaa livello mitocondriale diventa substrato dell'enzima HMG-CoA liasi che lo scinde in acetil-CoA e acetoacetato, il quale può essere decarbossilato in acetone o ridotto a β-idrossibutirrato in presenza di potenziale riducente. L'acido acetoacetico, l'acetone e l'acido β-idrossibutirrico possono essere rilasciati nel torrente ematico per giungere a vari distretti: l'acetone presenta una bassa tensione di vapore quindi viene facilmente eliminato a livello degli alveoli polmonari, mentre gli altri due acidi vengono veicolati agli organi che necessitano di energia (soprattutto al cervello e al cuore) dove vengono convertiti in acetil-CoA percorrendo in senso inverso le reazioni della chetogenesi. LA BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI La biosintesi degli acidi grassi è attiva soprattutto a livello del fegato e dei muscoli ed avviene all'interno del citoplasma; la sintesi avviene con un processo completamente diverso da quello del

catabolismo degli acidi grassi, ma presenta in comune con la β-ossidazione il fatto di coinvolgere due atomi di carbonio per ogni reazione, in particolare nella β-ossidazione si assiste all'eliminazione di due atomi di carbonio per ogni ciclo, mentre il processo anabolico prevede l'addizione di due atomi di carbonio per volta.

L'acetil-CoA è attivato a malonil-CoA grazie all'addizione di un un gruppo carbossile ad opera dell'enzima acetil-CoA carbossilasi, poi diventa substrato dell'enzima acido grassosintasi che presenta numerose attività catalitiche diverse, in particolare il malonil-CoA viene caricato su un gruppo sulfidrilico del sito attivo dell'enzima, mentre un altro gruppo sulfidrilico lega un gruppo acetile; in seguito attraverso due reazione di riduzione che utilizzano come coenzima il NADPH ed una di disidratazione intermedia è permessa l'aggiunta di due atomi di carbonio per ciclo.

L'acetil-CoA

viene prodotto a partire dal piruvato oppure attraverso la β-ossidazione degli acidi grassi all'interno del mitocondrio ed è trasportato a livello del citosol come citrato quando esso aumenta nel mitocondrio (è indice di disponibilità di acetil-CoA, di elevata carica energetica e di elevato rapporto NADH/NAD ). Il shuttle del citrato prevede che quando il citrato giunge nel citosol diventa substrato dell'enzima citrato liasi che lo scinde con consumo di ATP in acetil-CoA che diventa disponibile per la sintesi degli acidi grassi ed ossalacetato, il quale è ridotto a malato dall'enzima malato deidrogenasi citosolico con consumo di NADH e poi mediante l'azione dell'enzima malico forma NADPH per permettere il rifornimento di potere riducente anabolico e piruvato che può tornare all'interno del mitocondrio grazie a specifici trasportatori in modo da essere convertito nuovamente a ossalacetato mediante il ciclo di Krebs per.

ripristinarne il pool.

N.B. Il malato rientra nel mitocondrio attraverso il trasportatore malato-α-chetoglutarato (fa parte della navetta del malato-aspartato) quando nel citosol sono presenti grandi quantità di potere riducente anabolico, mentre utilizza la via di conversione a piruvato tramite l'enzima malico in caso di carenza citosolica di NADPH.

Il NADPH necessario per la sintesi degli acidi grassi può essere prodotto attraverso la via dei pentoso fosfati a partire da glucosio-6-fosfato (si formano 2 molecole di NADPH per ogni molecola di glucosio-6-fosfato grazie all'azione degli enzimi glucosio-6-fosfato deidrogenasi e 6-fosfogluconato deidrogenasi) ed attraverso l'azione dell'enzima malico (catalizza la decarbossilazione ossidativa del malato a piruvato con formazione di una molecola di NADPH).

La regolazione