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Rita Santamaria » 17.Sintesi degli acidi grassi

Sintesi e degradazione degli acidi grassi sono speculari

Lezione svolta in collaborazione con il Dott. Carlo Irace

La sintesi degli acidi grassi è essenzialmente l’inverso del processo di degradazione, e come quest’ultimo consiste di quattro tappe principali. Le unità monomeriche attivate polimerizzano mediante la condensazione tra un gruppo acilico attivato e una unità di malonile.
Per produrre una catena idrocarburica i gruppi carbonilici sono poi ridotti a gruppi metilenici attraverso tre passaggi: riduzione; deidratazione; riduzione; (Figura 1).

I processi di sintesi e di degradazione degli acidi grassi sono finemente regolati per evitare cicli futili.

La regolazione è assicurata da specifici enzimi e coenzimi, dalla compartimentazione (la sintesi è un processo citosolico, la degradazione è mitocondriale) e da regolazioni allosteriche ed ormonali (Figura 2).

Figure tratte da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 1 Le tappe della degradazione e della sintesi degli acidi grassi

Fig. 2 Anabolismo e catabolismo degli acidi grassi, due processi speculari e finemente regolati

Formazione del malonil-CoA

La sintesi di un acido grasso parte dalla carbossilazione dell’acetil-CoA a malonil-CoA, una reazione irreversibile che rappresenta la tappa di comando dell’intero processo.
Questa reazione è catalizzata dalla acetil CoA carbossilasi, un’enzima biotina dipendente che utilizza CO₂ e ATP (Figura 3).
Il meccanismo catalitico della reazione è mostrato in Figura 4.

La carbossilasi è un enzima regolato allostericamente e mediante modificazioni covalenti.
Allostericamente è regolata da:

citrato, effettore allosterico positivo;
palmitato, effettore allosterico negativo.

Inoltre, mediante fosforilazioni/defosforilazioni risponde alle segnalazioni dell’insulina e del glucagone.

Figure tratte da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 3 Carbossilazione dell'acetil-CoA a malonil-CoA ad opera di una specifica carbossilasi

Fig. 4 Meccanismo di carbossilazione biotina-dipendente

ACP: proteina trasportatrice di acili

Tutti gli intermedi della sintesi degli acidi grassi sono legati ad una proteina trasportatrice di acili, nota come ACP.
Il gruppo prostetico funzionale, costituito da un’unità di fosfopanteteina, è direttamente legato ad un residuo di serina della proteina ACP, a formare un sorta di “macro coenzima A”.
Il gruppo sulfidrilico –SH terminale consente di formare legami tioesterei con i gruppi acilici attivati (Figura 5).

La reazione successiva alla carbossilazione dell’acetil-CoA consiste nel trasferimento dell’acetile e del malonile sulla proteina ACP ad opera di specifiche transacilasi, che catalizzano reazioni di transesterificazione.
A questo punto, la catena carboniosa può allungarsi utilizzando come donatore di unità bicarboniose il malonil-CoA.

Figura tratta da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 5 Proteina ACP e confronto con la struttura del coenzima A

Acido grasso sintasi

Nei mammiferi le attività enzimatiche richieste per la sintesi degli acidi grassi sono contenute nei diversi domini di un complesso enzimatico multifunzionale ad elevato peso molecolare, l’acido grasso sintasi, noto anche come “megasintasi“.
Nella sua forma funzionale, l’enzima è un omodimero e ciascuna subunità è costituita da sette proteine, di cui sei con attività catalitica necessaria per la sintesi del palmitato (16:0), fatta eccezione per l’attività malonil carbossilasica (Figura 6).
La proteina ACP è presente in uno specifico dominio del complesso.

Una simile struttura offre il vantaggio di un funzionamento coordinato ed efficiente tra le varie attività catalitiche.
Gli intermedi possono facilmente interagire con i vari siti attivi senza mai essere rilasciati dal complesso.
In questo contesto, gioca un ruolo critico il lungo braccio flessibile dell’ACP che permette agli intermedi di raggiungere tutti i siti catalitici.

Figura tratta da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino

Fig. 6 Il complesso multienzimatico dell'acido grasso sintasi

Sintesi degli acidi grassi: condensazione

Nella sintesi degli acidi grassi, l’enzima condensante, presente nel complesso multienzimatico dell’acido grasso sintasi, “porta” sempre la catena carboniosa in fase di allungamento.
Il donatore di unità C-2 (malonile) è invece sempre trasportato dall’ACP. Sono quindi necessarie reazioni di translocazione (trans-acilazioni) per ogni ciclo di allungamento.

Nella prima reazione di condensazione viene formata una unità C-4 di butirril-CoA a partire da 2 atomi di carbonio dell’acetil-CoA e dai 3 atomi di carbonio del malonil-CoA, con rilascio di CO₂ (Figura 7).
Nonostante si formi un nuovo legame C-C che accresce la catena idrocarburica, non viene consumato ATP perché già precedentemente utilizzato per “attivare” il malonile.

Le tre tappe successive riducono il gruppo chetonico a gruppo metilenico –CH₂-.

Figura tratta da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 7 Meccanismo di allungamento della catena carboniosa sull'enzima condensante

Sintesi delle catene carboniose degli acidi grassi

Nella prima reazione di riduzione una deidrogenasi NADPH-dipendente trasforma il gruppo chetonico sul carbonio-3 in funzione ossidrilica.
La tappa successiva deidrata la molecola, sempre legata all’ACP, formando un doppio legame in maniera stereospecifica.
La tappa finale riduce il doppio legame utilizzando come riducente ancora NADPH.
Ogni ciclo si compone pertanto di 4 reazioni sequenziali, che vanno dall’aggiunta di una nuova unità bicarboniosa, donata dal malonil-CoA e che allunga lo scheletro carbonioso, alle successive 3 reazioni che riducono il gruppo chetonico (Figura 8).
I cicli di allungamento proseguono fino alla formazione di un C₁₆ acil-ACP.
Una tioesterasi, altra attività enzimatica localizzata sulla megasintasi, idrolizza la molecola per rilasciare palmitato.

Nella Figura 9 è riportata la stechiometria globale della sintesi del palmitato, acido grasso a 16 atomi di carbonio.

Figura tratta da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 8 Sintesi dello scheletro carbonioso degli acidi grassi

Stechiometria della sintesi del palmitato

Fig. 9 La sintesi del palmitato

Recupero citosolico dell’acetil-CoA

Gli acidi grassi sono sintetizzati nel citosol, mentre l’acetil-CoA, substrato di partenza di questa via anabolica, si forma dal piruvato nei mitocondri.
Il trasportatore di acetil-CoA è il citrato, che contiene una molecola condensata di acetile e che può superare la barriera mitocondriale.
Quando il citrato è presente in quantità abbondanti, viene esportato nel citosol dove viene scisso in acetil-CoA ed ossalacetato dalla citrato liasi.
Per ritornare nei mitocondri, l’unità C-4 rimanente di ossalacetato viene trasformata in malato da una specifica deidrogenasi.
Successivamente, l’enzima malico NADP⁺-dipendente decarbossila il malato a piruvato che può facilmente ritornare nei mitocondri, dove viene carbossilato per riformare ossalacetato (Figura 10).

Figura tratta da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 10 Recupero citosolico dell'acetil-CoA attraverso il trasporto del citrato

Fonti di NADPH per la sintesi degli acidi grassi

La reazione catalizzata dall’enzima malico genera NADPH citosolico necessario per rifornire di equivalenti riducenti la via biosintetica degli acidi grassi (Figura 11a).
Pertanto, si formano 8 molecole di NADPH quando 8 molecole di acetil-CoA sono trasferite dal mitocondrio al citosol per la sintesi del palmitato.
Le altre 6 molecole di NADPH provengono invece dalla via del pentoso fosfato (Figura 11b).

Figura tratta da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 11 Generazione di NADPH per la via biosintetica degli acidi grassi

Cooperazione tra diverse vie metaboliche

L’accumulo di substrati e precursori per la sintesi degli acidi grassi è un esempio di cooperazione e coordinazione tra molteplici processi per garantire la realizzazione di una via biosintetica.
Il ciclo dell’acido citrico e la via del pentoso fosfato forniscono i substrati carboniosi ed il potere riducente, mentre la glicolisi e la fosforilazione ossidativa assicurano la disponibilità di ATP per costruire nuovi legami covalenti (Figura 12).
La compartimentazione cellulare rende più semplice la regolazione e la coordinazione di questi processi.

Figura tratta da:
J. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochimica, Zanichelli, 6a edizione 2008, traduzione di P.L. Ipata, revisione di E. Melloni, F. Salamino.

Fig. 12 La sintesi degli acidi grassi comporta la cooperazione tra diverse vie metaboliche

Sintesi di acidi grassi a lunga catena

L’acido grasso sintasi rilascia fondamentalmente il palmitato.
Nelle nostre cellule, gli acidi grassi a catena carboniosa maggiore di 16 atomi vengono formati da reazioni catalizzate da specifici enzimi localizzati nel reticolo endoplasmatico liscio o nei mitocondri.
Queste reazioni addizionano in modo sequenziale unità bicarboniose utilizzando come donatore ancora il malonil-CoA.
Seguono poi le reazioni di riduzione della funzione chetonica.
In questi processi, il trasportatore dei gruppi acilici attivati è il coenzima A (Figura 13).

Fig. 13 Reazioni di allungamento della catena carboniosa sul substrato palmitoil-CoA.

Introduzione delle insaturazioni

Specifici sistemi enzimatici localizzati nel reticolo endoplasmatico liscio, noti come desaturasi, hanno la funzione di introdurre doppi legami nelle catene carboniose degli acidi grassi a numero di atomi di carbonio uguale o superiore a 16.
Le acil-CoA desaturasi funzionano come delle ossidasi a funzione mista, ovvero enzimi che catalizzano reazioni di ossidazioni utilizzando O₂ molecolare ma che necessitano simultaneamente di un co-substrato da ossidare.
Nel caso specifico, il co-substrato è il NADPH, con gli elettroni che fluiscono all’ossigeno attraverso una catena di trasporto costituita da 3 enzimi di cui l’ultimo è proprio la desaturasi (Figura 14).

I mammiferi non possono introdurre insaturazioni negli acidi grassi oltre il C-9, per cui non possono sintetizzare molecole della serie ω-6 ed ω-3, che sono pertanto considerati come acidi grassi essenziali.
Essendo indispensabili all’organismo, gli acidi grassi ω-6 ed ω-3 devono essere necessariamente introdotti con la dieta (Figura 15).

Figure tratte da:
D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino.