L'ossidazione degli acidi grassi

LE QUATTRO REAZIONI DELLA BETA-OSSIDAZIONE SI RIPETONO FORMANDO

ACETIL-CoA E ATP

Dopo la rimozione della prima unità di acetil-CoA dal palmitoil-CoA, il nuovo

tioestere del coenzima A contiene una catena acilica accorciata (14 atomi di

carbonio ). Il miristoil-CoA entra nella sequenza di reazioni della beta-

ossidazione subendo quattro reazioni, identiche alle prime, che producono una

seconda molecola di acetil-CoA e il lauril-CoA , un tioestere del coenzima A con

l’acile a 12 atomi di carbonio laurile . Il ciclo di ossidazione continua finchè non

si arriva alla completa conversione della catena acilica in 8 molecole di acetil-

CoA.

Il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH2 (rispettivamente

attraverso la NADH deidrogenasi e alla proteina ETF della catena respiratoria)

all’ossigeno produce una molecola di acqua per ogni coppia di elettroni. La

riduzione dell’ossigeno da parte del NADH consuma anche uno ione H+ per

NADH ossidato.

[Negli animali in letargo, l’ossidazione degli acidi grassi fornisce quindi energia

metabolica, calore e acqua, tutti essenziali per la sopravvivenza di un animale

che non mangia e non beve per un periodo molto lungo.]

La reazione complessiva dell’ossidazione del palmitoil-CoA a otto molecole di

acetil-CoA è :

Palmitoil-CoA + 7 CoA + 7 FAD + 7 NAD + 7 H20 8 acetil-CoA + 7 FADH2 +

7 NADH + 7 H+

Palmitoil-CoA + 7 CoA + 7 O2 + 28 P + 28 ADP 8 acetil-CoA + 28 ATP + 7

H2O

L’ACETIL-CoA PUO’ ESSERE OSSIDATO ULTERIORMENTE NEL CICLO DELL’ACIDO

CITRICO

L’acetil-CoA prodotto dall’ossidazione degli acidi grassi può essere ossidato a

CO e H O nel ciclo dell’acido citrico.

2 2

Enzima che catalizza Numero di molecole di Numero di

la tappa NADH o di FADH molecole di ATP

2

Ossidativa formate Prodotte *

Acil-CoA deidrogenasi 7 FADH 14

2

β-Idrossiacil-CoA 7 NADH 21

deidrogenasi

Isocitrato deidrogenasi 8 NADH 24

α-Chetoglutarato 8 NADH 24

deidrogenasi

Succinil-CoA sintetasi 8 GTP 8

Succinato deidrogenasi 8 FADH 16

2

Malato deidrogenasi 8 NADH 24

Totale 131

*Questi valori sono calcolati considerando che la fosforilazione ossidativa

mitocondriale produca 1,5 molecole di ATP per ogni FADH ossidato e 2,5

2

molecole di ATP per NADH ossidato

Il costo energetico per l’attivazione di un acido grasso corrisponde a due

molecole di ATP ( l’attivazione del palmitato a Palmitoil-CoA rompe entrambi i

legami fosfanidride dell’ATP ); il guadagno netto che si ha dall’ossidazione di

una molecola di palmitato è di 129 molecole di ATP.

L’OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI INSATURI RICHIEDE ALTRE DUE REAZIONI

Molti degli acidi grassi ,dei triacilgliceroli e dei fosfolipidi degli animali e delle

piante sono insaturi, cioè possiedono uno o più doppi legami . Questi legami

cis

sono nella configurazione e sono resistenti all’azione dell’enoil-CoA idratasi,

l’enzima che catalizza l’aggiunta di acqua al doppio legame trans dell’Δ -enoil-

2

CoA prodotto dalla β ossidazione. Sono necessari altri due enzimi per la β

ossidazione degli acidi grassi insaturi : una isomerasi e una reduttasi.

Esempio : L’Oleato è un acido grasso a 18 atomi di carbonio monoinsaturo, con il

cis

doppio legame tra gli atomi C-9 e C-10. L’oeil-CoA va incontro a tre cicli

della sequenza di reazioni della β ossidazione formando tre molecole di acetil-

cis

CoA e un tioestere dell’acido grasso a 12 atomi di carbonio con il CoA, il

Δ dodecenil-CoA. Questo composto non può subire un altro ciclo della β

3

ossidazione in quanto l’enzima che dovrebbe agire, cioè l’enoil-CoA idratasi

trans.

riconosce soltanto doppi legami L’enzima ausiliario Δ -enoil-CoA

2

cis trans-Δ

isomerasi converte il Δ enoil-CoA nell’isomero enoil-CoA che viene

3 2

convertito dall’enoil-CoA idratasi nel corrispondente L-β-idrossiacil-CoA. Questo

intermedio può ora proseguire nella sequenza di reazioni della β ossidazione

formando acetil-CoA e un tioestere con il coenzima A dell’acido grasso saturo a

10 atomi di carbonio. Mediante altri quattro passaggi attraverso la sequenza di

reazioni della β ossidazione, anche quest’ultimo composto viene convertito in

cinque molecole di acetil-CoA ; partendo da una molecola di oleato a 18 atomi

di carbonio si sono ottenute nove molecole di acetil-CoA.

Per l’ossidazione degli acidi grassi polinsaturi, ad esempio il linoleato, un acido

cis-Δ ,cis-Δ

grasso a 18 atomi di carbonio, che ha una configurazione è

9 12

necessario un altro enzima ausiliario (una reduttasi). Il linoeil-CoA va incontro a

tre cicli di β ossidazione formando tre molecole di acetil-CoA e un tioestere con

il CoA di acido grasso insaturo a 12 atomi di carbonio , con una configurazione

cis-Δ ,cis-Δ . Questo intermedio non può essere utilizzato dagli enzimi della β

3 6

ossidazione; i suoi doppi legami sono nella posizione non corretta , ad hanno la

(cis trans

configurazione sbagliata invece che ). L’azione combinata dell’enoil-

CoA isomerasi e della 2,4-dienoil-CoA reduttasi (NADPH-dipendente)

consente a questo intermedio di rientrare nella via della β ossidazione e di

essere degradato a sei molecole di acetil-CoA. Il risultato complessivo è la

conversione del linoleato a nove molecole di acetil-CoA.

L’OSSIDAZIONE COMPLETA DEGLI ACIDI GRASSI CON NUMERO DISPARI DI ATOMI

DI CARBONIO RICHIEDE ALTRE TRE REAZIONI

ES. ACIDO PROPIONICO

Gli acidi grassi a catena lunga con un numero dispari atomi di carbonio sono

ossidati nello stesso modo degli acidi grassi a catena pari , iniziando

dall’estremità carbossilica della catena. Il substrato che entra nell’ultimo ciclo

della β ossidazione è però un acido grasso a cinque atomi di carbonio. Quando

viene ossidato e poi scisso in due frammenti, i prodotti sono da una parte

l’acetil-CoA e dall’altra il propionil-CoA. L’acetil-CoA viene poi ossidato nel ciclo

dell’acido citrico, mentre il propionil-CoA entra in una via insolita, costituita da

tre reazioni enzimatiche.

Il propionil-CoA viene carbossilato, formando lo stereoisomero D del

metilmanoil-CoA ad opera della propinoil-CoA carbossilasi che contiene

come cofattore la biotina . In questa reazione enzimatica, come in quella della

piruvato carbossilasi la CO viene attivata dal legame alla biotina , e poi

2

trasferita al propinato. La formazione dell’intermedio carbossibiotina richiede

energia, fornita dalla scissione dell’ATP in ADP Pi. Il D-metilmanoil-CoA viene poi

epimerizzato enzimaticamente nello stereoisomero L della metilmanoil-CoA

epimerasi . L’L-metilmanoil-CoA va incontro ad un riarrangiamento

intramolecolare, formando succininl-coA, che entra nel ciclo dell’acido citrico.

Questo riarrangiamento è catalizzato dalla metilmanoil-CoA mutasi , enzima

che richiede come coenzima la 5’-deossiadenosilcobalammina o coenzima B ,

12

derivato dalla vitamina B 12.

L’OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI E RIGOROSAMENTE REGOLATA

Nel fegato gli acil-CoA sintetizzati a livello citosolico possono andare incontro a

due destini : la β ossidazione da parte di enzimi presenti nei mitocondri, oppure

la conversione a triacilgliceroli o fosfolipidi da parte di enzimi presenti nel

citosol. La via metabolica scelta dipende dalla velocità di trasferimento degli

acil-CoA a catena lunga nei mitocondri. Il processo a tre tappe (shuttle della

carnitina) che trasferisce gli acili dal citosol nella matrice mitocondriale limita la

velocità di ossidazione degli acidi grassi a rappresenta un importante punto di

regolazione.

La concentrazione del malonil-CoA, il primo intermedio della biosintesi citosolica

degli acidi grassi a catena lunga a partire dall’acetil-CoA, aumenta quando

l’animale è ben rifornito di carboidrati. L’eccesso di glucosio, che non può

essere ossidato o conservato sotto forma di glicogeno, viene convertito in acidi

grassi che sono poi conservati come triacilgliceroli. L’inibizione della carnitina

acil-trasferasi I da parte del malonil-CoA rallenta l’ossidazione degli acidi

grassi , quando il fegato dispone di molto glucosio come combustibile e quando

sta sintetizzando triacilgliceroli dallo zucchero in eccesso .

Due degli enzimi coinvolti nella β ossidazione sono regolati anche da

meccanismi che segnalano un’abbondanza energetica. Quando il rapporto

[NADH]/[NAD ] è elevato la β idrossiacil-CoA deidrogenasi viene inibita; inoltre

+

le concentrazioni elevate di acetil-CoA inibiscono la tiolasi .

La diminuzione dell’ATP e l’aumento dell’ADP durante l’esercizio fisico intenso

o durante il digiuno, attivano l’AMPK una chinasi che fosforila molti enzimi

bersaglio fra cui l’acetil-CoA carbossilasi ( che catalizza la sintesi di malonil-

CoA). La fosforilazione inibisce l’acetil-CoA carbossilasi determinando una

diminuzione del malonil-CoA, rimuovendo l’inibizione del trasporto dell’acil-

carnitina nei mitocondri ; la β ossidazione può così riprendere e contribuisce a

ripristinare i livelli di ATP.

I CORPI CHETONICI

L’acetil-CoA formato nel fegato durante l’ossidazione degli acidi grassi può

entrare nel ciclo dell’acido citrico oppure può essere trasformato in << corpi

chetonici >>, cioè acetone, acetoacetato e D-β-idrossibutirrato , che

saranno esportati ad altri tessuti .

L’acetone prodotto in piccole quantità rispetto agli altri corpi chetonici, viene

eliminato con la respirazione. L’acetoacetato e il D-β-idrossibutirrato sono

trasportati dal sangue ai tessuti extraepatici, dove sono ossidati nel ciclo

dell’acido citrico per soddisfare la richiesta energetica dei tessuti.

La prima tappa della formazione dell’acetoacetato nel fegato è la

condensazione enzimatica di due molecole di acetil-CoA, catalizzata dalla

tiolasi. L’acetoacetil-CoA condensa poi con un'altra molecola di acetil-CoA

formando β-idrossi-β-metilglutaril-CoA che si scinde in acetoacetato libero ed

acetil-CoA.

L’acetoacetato libero così prodotto viene ridotto reversibilmente dalla D-β-

idrossibutirrato deidrogenasi, un enzima mitocondriale, a D-β-idrossibutirrato.

Nei tessuti extraepatici il D-β-idrossibutirrato viene ossidato ad acetoacetato da

parte della D-β-idrossibutirrato deidrogenasi. L’acetoacetato è attivato

mediante la formazione di un tioestere con il coenzima A, una reazione

catalizzata dalla trioforasi, in cui il coenzima A viene donat