Biosintesi degli acidi grassi
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Sintesi del MALONIL-CoA
La formazione irreversibile del malonil CoA è la tappa di comando nella sintesi degli acidi grassi.
La formazione del malonil-CoA da acetil-CoA è catalizzata dall’Acetil-CoA Carbossilasi.
Acetil-CoA Carbossilasi
È un enzima costituito da tre subunità che fanno parte di un polipeptide multifunzionale.
Contiene come gruppo prostetico la biotina legata covalentemente ad un residuo di Lys di una delle tre subunità dell’enzima.
La biotina serve come trasportatore temporaneo della CO2.
La reazione dell'acetil-CoA carbossilasi
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La formazione del malonil CoA dall'acetil-CoA e bicarbonato
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Sintesi del Palmitato (16:0)
La sequenza di reazioni che porta alla costruzione della lunga catena carboniosa degli acidi grassi è costituita di quattro tappe.
In ogni passaggio attraverso il ciclo, la catena dell’acido grasso si allunga di due atomi di carbonio donati dal malonato attivato, con perdita di una molecola di CO2.
Dopo l’aggiunta di ogni unità bicarboniosa, reazioni di riduzione convertono la catena nascente in acido grasso saturo con 4, 6, 8,…..16 atomi di carbonio.
Il prodotto finale è il palmitato, acido grasso saturo a 16 atomi di Carbonio.
L’agente riducente nella sequenza biosintetica è il NADPH e i due gruppi attivanti sono due gruppi –SH.
Tutte le reazioni del processo biosintetico sono catalizzate da un complesso multienzimatico, chiamato Acido grasso sintasi.
La sintesi di palmitato
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Complesso dell’acido grasso sintasi
Il complesso dell’acido grasso sintasi nei vertebrati possiede 7 enzimi in una sola catena polipeptidica.
ACP la proteina che trasporta gli acili (gruppo –SH) Acil Carrier Protein (ACP).
AT acetil-CoA-ACP transacetilasi.
KS β-chetoacil-ACP sintasi (gruppo –SH di un residuo di Cys).
MT malonil-CoA-ACP transferasi.
KR β-chetoacil-ACP reduttasi.
HD β-idrossiacil-ACP deidratasi.
ER enoil-ACP reduttasi.
Il complesso dell'acido grasso sintasi
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LA proteina che trasporta gli acili (ACP)
Gli intermedi della sintesi degli acidi grassi sono legati covalentemente ad una proteina trasportatrice di acili ACP.
L’ACP contiene il gruppo prostetico fosfopanteteina legata covalentemente al gruppo ossidrilico di un residuo di Ser dell’ACP.
La fosfopanteteina possiede la vitamina B pantotenato e il suo gruppo –SH è il sito in cui entrano i gruppi malonilici durante la sintesi degli acidi grassi.
Proteina che trasporta gli acili
Proteina che trasporta gli acili
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Il gruppo acetilico dell’acetil-CoA viene trasferito al gruppo –SH del residuo di Cys della β-chetoacil-ACP-sintasi (KS).
Questa reazione è catalizzata dalla ACETIL-COA-ACP TRANSACETILASI (AT).
Reazione catalizzata da acetil-CoA-ACP transacetilasi
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La seconda reazione consiste nel trasferimento del malonile dal malonil-CoA al gruppo –SH dell’ACP.
Questa reazione è catalizzata dalla MALONIL-COA-ACP TRANSFERASI (MT).
Nel complesso sintasico carico, i gruppi acetilico e malonilico si vengono a trovare molto ravvicinati e sono attivati.
Reazione catalizzata da Malonil-CoA-ACP transferasi
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Tappa 1: Condensazione
Condensazione tra i gruppi attivati acetilico e malonilico per formare un gruppo acetoacetilico legato all’ACP attraverso il gruppo –SH della fosfopantenina, cioè l’acetoacetil-ACP o β-chetobutirril-ACP.
Contemporaneamente viene rilasciata una molecola di CO2.
Questa reazione è catalizzata dalla β-chetoacil-ACP sintasi (KS).
Durante la biosintesi degli acidi grassi, la CO2 viene fissata covalentemente in modo temporaneo e viene allontanata quando nella catena carboniosa in fase di crescita viene inserita un’unità a due atomi di carbonio.
L’accoppiamento della condensazione con la decarbossilazione del gruppo malonilico rende esoergonico il processo nel suo complesso.
Reazione catalizzata da β-chetoacil-ACP sintasi (KS)
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Tappa 2: Riduzione del gruppo carbonilico
L’acetoacetil-ACP formato nella tappa 1 subisce la riduzione del suo gruppo carbonilico presente sul C3, trasformandosi in D-β-idrossibutirril-ACP.
Questa reazione è catalizzata dalla β-chetoacil-ACP reduttasi (KR) e il donatore di elettroni è il NADPH.
Reazione catalizzata da β-chetoacil-ACP reduttasi (KR)
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Tappa 3: Deidratrazione
Dal D-β-idrossibutirril-ACP viene rimossa una molecola di acqua per formare un doppio legame nel prodotto, il trans-Δ2-butenil-ACP.
L’enzima che catalizzata la reazione di deidratazione è la β-idrossiacil-ACP deidratasi (HD).
Reazione catalizzata da β-idrossiacil-ACP deidratasi (HD)
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Tappa 4: Riduzione del doppio legame
Il doppio legame del trans-Δ2-butenil-ACP viene ridotto (saturato) generando butirril-ACP da parte dell’enoil-ACP reduttasi.
Anche in questa reazione il donatore di elettroni è il NADPH.
Reazione catalizzata dall'enoil-ACP reduttasi (ER)
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Il gruppo butirrilico viene trasferito dal gruppo –SH della fosfopantenina a quello del residuo di Cys della β-chetoacil-ACP sintasi (KS), che inizialmente era occupato dal gruppo acetilico.
Traslocazione del gruppo butirrilico al residuo di Cys della β-chetoacil-ACP sintasi (KS)
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Per allungare la catena di altri due atomi di carbonio un altro malonile viene legato al gruppo –SH della fosfopanteteina sull’ACP libero.
Avviene la condensazione del gruppo butirrilico e due degli atomi di carbonio del malonile legato all’ACP; l’altro è perso sotto forma di CO2.
Il prodotto della reazione è un acile a sei atomi di C, legato covalentemente all’–SH della fosfopantenina.
Il suo gruppo chetonico β viene ridotto nelle tre tappe successive formando un acile saturo a sei atomi di C.
Per produrre il palmitato saturo, legato all’ACP, sono necessari sette cicli di reazioni di condensazione e riduzione.
Secondo ciclo di reazioni del complesso dell'acido grasso sintasi
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Reazione complessiva della sintesi del Palmitato
AcetilCoA +7 malonil CoA + 14 NADPH + 14H+ → CH3(CH2) 14 COOH +7CO2 + 8CoA-SH + 14NADP+ + 6H2O
↓
Sintesi dell’ac. palmitico
Quindi sono necessarie:
- 1 molecola di Acetil-CoA (unita’ iniziante o starter);
- 7 molecole di malonil-CoA;
- ATP per legare CO2 all’Acetil-CoA e produrre malonil-CoA;
- il potere riducente del NADPH per ridurre i doppi legami.
Si forma una molecola di acido palmitico a 16 atomi di carbonio con il rilascio di 7 molecole di CO2.
La biosintesi procede per acquisto di due unita’ di carbonio.
Gli intermedi sono tioesteri di una proteina ACP trasportatrice di acili.
Gli enzimi sono organizzati nel complesso multienzimatico citoplasmatico acido grasso sintasi.
L’allungamento si ferma quando viene raggiunta la lunghezza di 16 atomi di carbonio e viene rilasciato il palmitato dall’ACP per azione di una attività idrolitica presente nel complesso della sintasi.
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Nei mammiferi, il complesso dell’acido grasso sintasi è presente esclusivamente nel citosol.
Questa localizzazione separa le reazioni del processo biosintetico da quelle del processo degradativo, molte delle quali avvengono nella matrice mitocondriale.
Negli epatociti, il rapporto [NADPH]/[NADP+] nel citosol ha un valore molto elevato.
Siti cellulari in cui avvengono le diverse fasi del metabolismo degli acidi grassi
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Localizzazione subcellulare del metabolismo lipidico
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Nell’epatocita, negli adipociti e nelle ghiandole mammarie durante la lattazione il NADPH è in gran parte prodotto dalle reazioni della via del pentosio-fosfato.
Negli epatociti e negli adipociti il NADPH citosolico è generato anche dall’enzima malico che determina la sintesi di piruvato che rientra nei mitocondri.
Produzione di NADPH mediante la via del pentosio fosfato
Produzione di NADPH mediante l'enzima malico
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
Sistema di trasporto di gruppi acetilici dai mitocondri al citosol
L’acetil-CoA usato per la sintesi degli acidi grassi viene prodotto all’interno dei mitocondri dall’ossidazione del piruvato e dal catabolismo dello scheletro carbonioso degli amminoacidi.
L’acetil-CoA che deriva dall’ossidazione degli acidi grassi non è una fonte di atomi di C per la sintesi di ac. grassi in quanto le due vie sono regolate in modo coordinato e complementare.
La membrana mitocondriale interna è impermeabile all’acetil-CoA.
Sistema di trasporto dei gruppi acetilici dai mitocondri al citosol
Biosintesi degli acidi grassi (segue)
L’acetil-CoA all’interno dei mitocondri reagisce con l’ossalacetato formando citrato nella prima reazione del ciclo dell’acido citrico catalizzata dalla citrato sintasi.
Il citrato passa poi nel citosol attraversando la membrana mitocondriale interna mediante il trasportatore del citrato.
Nel citosol il citrato viene scisso dalla citrato liasi che rigenera l’acetil-CoA.
Nel citosol questo composto viene ridotto dalla malato deidrogenasi a malato che ritorna nella matrice mitocondriale mediante il trasportatore malato-α-chetoglutarato, e viene riossidato ad ossalacetato.
In alternativa, il malato prodotto nel citosol viene usato per generare NADPH citosolico attraverso l’attività dell’enzima malico.
Sistema di trasporto dei gruppi acetilici dai mitocondri al citosol
Regolazione della biosintesi degli acidi grassi
La sintesi degli acidi grassi è fortemente regolata
La sintesi di malonil-CoA catalizzata dalla acetil-CoA carbossilasi è la tappa che limita la velocità di sintesi degli ac. grassi.
L’acetil-CoA carbossilasi è sottoposta a:
- regolazione allosterica;
- regolazione da modificazione covalente ormone-dipendente.
Regolazione della biosintesi degli acidi grassi (segue)
Regolazione allosterica dell’acetil-CoA Carbossilasi
Il palmitoil-CoA si comporta da INIBITORE retroattivo dell’enzima.
Il citrato è il suo attivatore allosterico.
Regolazione da modificazione caovalente ormone-dipendente
La fosforilazione dell’enzima innescata da insulina e glucagone INATTIVA l’enzima, causando l’arresto della sintesi degli ac. grassi.
Nella forma attiva defosforilata l’acetil-CoA carbossilasi polimerizza in lunghi filamenti.
La fosforilazione è accompagnata dalla dissociazione in monomeri e dalla perdita dell’attività catalitica (forma inattiva).
Regolazione dell'acetil-CoA carbossilasi
Filamenti di acetil-CoA carbossilasi (forma defosforilata e attiva)
Regolazione della biosintesi degli acidi grassi (segue)
Regolazione della sintesi degli acidi grassi
Biosintesi degli acidi grassi
Il palmitato è il precursore degli altri acidi grassi a catena più lunga.
Può essere allungato per formare stearato (18:0) o ac. grassi a catena ancora più lunga mediante l’aggiunta successiva di unità acetiliche, catalizzata dal sistema di allungamento degli acidi grassi, presente nel reticolo endoplasmatico liscio e nei mitocondri.
Il meccanismo di allungamento è identico a quello usato nella sintesi del palmitato.
Tuttavia, sono coinvolti enzimi diversi e il trasportatore di acili è il coenzima A e non l’ACP.
Il palmitato e lo stearato sono anche i precursori dei più comuni ac. grassi insaturi dei tessuti animali (palmitoleato,16:1 (Δ9); oleato, 18:1 (Δ9)).
Il legame doppio viene introdotto nella catena dell’ac. grasso da una reazione catalizzata dalla ACIL-CoA DESATURASI.
Vie di sintesi di altri acidi grassi
Citocromo P450
L’ ACIL-CoA DESATURASI è un’ossidasi a funzione mista, cioè ossida contemporaneamente due substrati.
I due substrati diversi dell’enzima l’acido grasso e il NADPH, perdono contemporaneamente due elettroni: gli elettroni fluiscono all’interno di una via costituita da un citocromo e da una flavoproteina entrambi presenti nel reticolo endoplasmatico liscio.
Gli enzimi P450 predisposti alla desaturazione degli acidi grassi ed al metabolismo degli xenobiotici si trovano soprattutto nel reticolo endoplasmatico liscio del fegato.
Il citocromo P450 è legato alla membrana del reticolo endoplasmatico tramite la regione N-terminale idrofobica che genera un’elica transmembrana.
Catena di trasporto degli elettroni nella insaturazione degli acidi grassi
Citocromo P450
Citocromo P450 (segue)
È una eme-proteina che appartiene ad una famiglia di proteine con specificità di substrato diversa.
È una ossigenasi a funzione mista cioè ossidano contemporaneamente due substrati diversi.
Reagisce con l’ossigeno.
Catalizza reazioni di idrossilazione in cui un substrato organico RH viene idrossilato a R—OH a spese di un atomo di una molecola di O2.
Il secondo atomo di ossigeno viene ridotto ad H2O da NADH o NADPH.
Gli equivalenti riducenti passano prima attraverso una proteina ferro-zolfo e poi arrivano al citocromo P-450 (assorbe a 450 nm).
Funzione del citocromo P450
Citocromo P450 (segue)
Substrati del citocromo P450
Biosintesi degli trigliceridi
Biosintesi dei triacilgliceroli
Quando i carboidrati, i grassi o le proteine sono consumati in eccesso rispetto alla capacità di immagazzinamento sotto forma di glicogeno, essi vengono trasformati in trigliceridi e conservati nelle cellule adipose, nel sottocutaneo, nella cavità addominale.
Il grasso conservato in questo modo viene utilizzato in seguito per produrre energia.
Nel fegato e nei muscoli di un uomo di 70 Kg possono essere conservati solo poche centinaia di grammi di glicogeno, sufficienti solo per i fabbisogni energetici dell’organismo per un periodo di circa 12 ore.
Invece la quantità totale di triacilgliceroli che è possibile conservare in un uomo di 70 Kg è di circa 15 Kg, sufficiente per le richieste energetiche basali dell’organismo per un periodo di almeno 12 settimane.
Fosfolipidi e Sfingolipidi non vengono immagazzinati sono sintetizzati continuamente poiché le membrane subiscono un turnover metabolico.
Biosintesi degli trigliceridi (segue)
Sintesi dei triacilgliceroli e glicerofosfolipidi
I triacilgliceroli e i glicerofosfolipidi vengono prodotti nei tessuti degli animali a partire da due precursori : gli acil-CoA e l’L-glicerolo-3-fosfato.
Il GLICEROLO-3-FOSFATO si può formare in due modi:
- può derivare dal diidrossiacetone fosfato prodotto nella glicolisi per azione della glicerolo 3-fosfato didrogenasi NAD-dipendente localizzata nel citosol;
- nel rene e nel fegato può formarsi dal glicerolo mediante una fosforilazione catalizzata dalla glicerolo chinasi.
Gli ACIL-CoA si formano dagli acidi grassi ad opera della acil-CoA sintetasi.
Sintesi del glicerolo-3-fosfato
Biosintesi degli trigliceridi (segue)
Sintesi dei triacilgliceroli e glicerofosfolipidi
La prima fase della biosintesi dei triacilgliceroli è l’acilazione dei due gruppi ossidrilici liberi di L-glicerolo-3-fosfato con due molecole di acil-CoA per generare diacilglicerolo 3-fosfato, più conosciuto con il nome di acido fosfatidico o fosfatidato.
Sintesi dell'acido fosfatidico
Biosintesi degli trigliceridi (segue)
Sintesi dei triacilgliceroli e glicerofosfolipidi
Il fosfatidato può essere convertito sia in triacilglicerolo sia in glicerofosfolipide.
Nella via che porta alla formazione di triacilgliceroli, il fosfatidato viene idrolizzato da parte della fosfatidato fosfatasi per formare 1,2-diacilglicerolo.
I diacilgliceroli possono essere convertiti in triacilgliceroli per transesterificazione con una terza molecola di acil-CoA.
Il fosfatidato nella biosintesi lipidica
Regolazione della biosintesi degli trigliceridi
La biosintesi e la degradazione dei triacilgliceroli sono regolate in modo coordinato e complementare.
La velocità della biosintesi dei triacilgliceroli è controllata dall’azione di diversi ormoni.
L’insulina facilita la conversione dei carboidrati in triacilgliceroli.
Il metabolismo dei triacilgliceroli è influenzato anche dal glucagone, dall’ormone ipofisario della crescita e dagli ormoni della corteccia surrenale.
Regolazione della sintesi dei triacilgliceroli da parte dell'insulina
Biosintesi dei fosfolipidi di membrana
La costruzione di un fosfolipide da precursori semplici richiede:
- la sintesi dello scheletro carbonioso (glicerolo o sfingosina);
- il legame degli acidi grassi allo scheletro, mediante legami amidici o esteri;
- l’aggiunta di una testa polare idrofilica unita allo scheletro mediante in ponte fosfodiesterico
- in alcuni casi, la modificazione o lo scambio della testa polare per produrre il fosfolipide finale.
Nelle cellule degli eucarioti la sintesi dei fosfolipidi avviene principalmente sulla superficie del reticolo endoplasmatico liscio e della membrana mitocondriale interna.
Le prime tappe della sintesi dei glicerofosfolipidi sono le stesse della via di sintesi dei triacilgliceroli.
Vengono esterificati due ac. Grassi ai gruppi ossidrilici sugli atomi C-1 e C-2 dell’L-glicerolo-3-fosfato per formare il fosfatidato.
Una seconda via che porta alla formazione di fosfatidato è la fosforilazione di una molecola di diacilglicerolo da parte di una specifica chinasi.
Biosintesi dei fosfolipidi di membrana (segue)
Vi sono due sistemi diversi per legare le teste polari:
La testa polare dei glicerofosfolipidi viene legata mediante un ponte fosfodiesterico, in cui ciascuno dei due gruppi ossidrilici (uno sulla testa polare e l’altro sul C-3 del glicerolo) forma un legame estere con l’acido fosforico.
In questo processo, uno dei gruppi ossidrilici viene prima attivato mediante il legame a un nucleotide, la citidina difosfato (CDP).
La citidina monofosfato viene rilasciata in seguito all’attacco nucleofilico portato dal secondo gruppo ossidrilico.
La CDP può anche legarsi al diacilglicerolo, formando un fosfatidato attivato, il CDP-diacilglicerolo (sistema 1), oppure si può legare al gruppo ossidrilico della testa polare (sistema 2).
I due sistemi seguiti per la formazione del ponte fosfodiesterico nei fosfolipidi
Biosintesi degli sfingolipidi
La biosintesi degli sfingolipidi avviene in quattro tappe:
- sintesi dell’ammina a 18 atomi di Carbonio SFINGANINA per condensazione del palmitoil-CoA con la serina (Reticolo Endoplasmatico);
- attacco di una molecola di acido grasso con un legame amidico per formare N-Acilsfinganina (Reticolo Endoplasmatico);
- insaturazione della sfinganina a N-Acilsfingosina (un ceramide);
- attacco della testa polare generando un cerebroside oppure una SFINGOMIELINA (complesso di Golgi).
Gli equivalenti riducenti sono forniti dal NADPH e gli acidi grassi entrano sotto forma dei loro derivati attivati con il CoA.
Nella formazione del cerebroside, gli zuccheri sono attivati mediante il legame a nucleotidi.
Nei glicolipidi (i cerebrosidi e i gangliosidi) la testa polare è costituita da zuccheri legati direttamente al gruppo ossidrilico sull’atomo di carbonio C-1 della sfingosina, mediante un legame glicosidico.
Il donatore dello zucchero è uno zucchero legato al nucleotide UDP (UDP-glucosio oppure UDP-galattosio).
Biosintesi degli sfingolipidi (segue)
Biosintesi degli sfingolipidi
Biosintesi degli sfingolipidi (segue)
I lipidi polari come vengono inseriti nelle mebrane cellulari?
Dopo la loro sintesi nel reticolo endoplasmatico liscio, i lipidi polari, compresi i glicerofosfolipidi, sfingolipidi, e i glicolipidi, sono inseriti nelle membrane cellulari.
I meccanismi molecolari sono poco chiari.
Poiché i lipidi di membrana sono insolubili in acqua, sono trasportati in vescicole membranose che si originano dall’apparato del Golgi, si spostano fino al punto di inserzione e poi si fondono con la membrana cellulare.
Vi sono anche proteine citosoliche che legano fosfolipidi e steroli trasferendoli alle membrane.
Le lezioni del Corso
1. I livelli di organizzazione strutturale delle proteine
3. Gli enzimi: caratteristiche e cinetica enzimatica
4. Introduzione al metabolismo cellulare. Le reazioni di ossido-riduzione biologiche
8. Gluconeogesi
9. Il Glicogeno
10. I Lipidi
11. Ossidazione degli acidi grassi
12. Biosintesi degli acidi grassi
13. Colesterolo
15. Gli ormoni
