Universit di Roma TOR VERGATA CL in Medicina

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Università di Roma TOR VERGATA CL in Medicina Biochimica (Prof L. Avigliano) METABOLISMO DEL

Università di Roma TOR VERGATA CL in Medicina Biochimica (Prof L. Avigliano) METABOLISMO DEL COLESTEROLO

COLESTEROLO MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO scoperto nel 1784 nei calcoli biliari piccola

COLESTEROLO MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO scoperto nel 1784 nei calcoli biliari piccola molecola più premiata: 13 Premi Nobel Chimici per la sua struttura a 4 anelli condensati Biochimici per la biosintesi (coinvolti più di 30 enzimi) a partire dall’acetato Fisiologi per le sue funzioni Medici collegata ad aterosclerosi ed infarto

ALCOL Gruppo alcolico esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

ALCOL Gruppo alcolico esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

Colesterolo deriva dalla DIETA presente soltanto in alimenti di origine animale nelle piante: fitosteroli

Colesterolo deriva dalla DIETA presente soltanto in alimenti di origine animale nelle piante: fitosteroli dalla dieta: 50 mg/die vegetariani -> 400 mg/die INRAN, Linee guida USA 2005 ≤ 300 mg/die (adulti) BIOSINTESI 700 -900 mg/die in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die COLESTEROLO TOTALE 100 g 5 % ematico, 95 % cellulare

FUNZIONI strutturale Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane precursore - acidi biliari (400

FUNZIONI strutturale Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane precursore - acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA - ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali) - vitamina D EFFETTI DANNOSI molecola apolare, assolutamente insolubile in acqua - se precipita, non più rimovibile conseguente danno cellulare - se si accumula in modo errato nelle arterie non può più essere rimosso; i livelli ematici devono rimanere bassi Stretta correlazione fra livelli di colesterolo ematico e rischio di malattia coronarica

FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni

FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni biosintesi catabolismo enzima chiave HMGCo. A reduttasi enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi captazione dal circolo recettori per le lipoproteine

JBC classic 2006 vol 281 N. 31 the decision letter from Associate Editor Eugene

JBC classic 2006 vol 281 N. 31 the decision letter from Associate Editor Eugene Kennedy: It is my considered opinion that publication of this paper would not serve medical science neither would it earn credit in the long run to its authors The paper, the basis of the Nobel Prizes awarded to Brown and Goldstein, was eventually accepted. Michael Brown e Joseph Goldstein Univ of Texas - Nobel Prize 1985 In elegant and systematic studies you have discovered a physiological mechanism of great importance: the way in which mammalian cells strive to establish an equilibrium between their own synthesis of cholesterol and the cholesterol they obtain from the circulating blood influenced by diet. You have also demonstrated something else: how successful cooperation can be a principle that should perhaps be more widely applied, both in science and in other areas of human endeavour.

acetato CH 3 I 3 HC-C=CH-CH 3 isoprene polimerizzazione terpene

acetato CH 3 I 3 HC-C=CH-CH 3 isoprene polimerizzazione terpene

STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA acetil. Co. A ATP, NADPH isoprene (5 atomi di carbonio)

STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA acetil. Co. A ATP, NADPH isoprene (5 atomi di carbonio) C I RETICOLO ENDOPLASMATICO C-C=C-C polimerizzazione squalene CH 2 (30 atomi di carbonio) CH 2 O 2 3 HC CH 3 lanosterolo Prodotto di ciclizzazione (30 atomi di carbonio) CH 3 HO H CH 3 O 2 3 HC NADPH CH 3 colesterolo (27 atomi di carbonio) HO

BIOSINTESI Acetil Co. A mitocondriale - piruvato (da glucosio) - -ossidazione acidi grassi esportato

BIOSINTESI Acetil Co. A mitocondriale - piruvato (da glucosio) - -ossidazione acidi grassi esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato + ATP + Co. ASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil Co. A + ADP + Pi NADPH + H+ - via dei pentosi fosfati (glucosio) - enzima malico ossalacetato + NADH malato + NAD+ malato + NADP+ + H 2 O + enzima malico piruvato + HCO 3 - + NADPH + H+ ATP fosforilazione ossidativa

1. Conversione di 3 composti C 2 (acetil Co. A) in un composto C

1. Conversione di 3 composti C 2 (acetil Co. A) in un composto C 6 (mevalonato) 2 NADPH + H+ 2 NADP+ Co. A-SH CO-S-Co. A + CH 3 * C=O HMG~Co. A sintasi CH 2 HMG ~Co. A reduttasi HO-C-CH 3 CH 2 CO -S-Co. A acetil Co. A COO acetoacetil Co. A-SH COO - CH 2 HO-C-CH 3 CH 2 CO -S-Co. A CH 2 O H idrossimetil glutaril ~ Co. A (HMG~Co. A) mevalonato HMG~Co. A reduttasi PUNTO DI CONTROLLO DEL PROCESSO BIOSINTETICO

2. Conversione del composto C 6 a C 5 (isoprene attivato) Tre tappe di

2. Conversione del composto C 6 a C 5 (isoprene attivato) Tre tappe di fosforilazione con il consumo di 3 ATP COO ATP ADP - CH 2 COO mevalonato chinasi HO-C-CH 3 ADP - CH 2 COO fosfomevalonato chinasi HO- C-CH 3 - CH 2 HO- C-CH 3 CH 2 O H CH 2 -O-PO 3 H– CH 2 -O-P~P mevalonato ATP ADP + Pi CO 2 fisfomevalonato decarbossilasi 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato CH 2 CH 3 C - CH 3 I II CH 2 isopentenilpirofosfato isomerasi CH 2 -O-P ~P 3 isopentenilpirofosfato CH CH 2 -O-P ~P dimetilallilpirofosfato

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica PPi + dimetilallilpirofosfato C 10 C 5 prenil transferasi

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica PPi + dimetilallilpirofosfato C 10 C 5 prenil transferasi Isopentenil pirofosfato 2 X geranilpirofosfato C 15 PPi C 30 NADPH + H+ prenil transferasi farnesilpirofosfato NADP+ + 2 PPi squalene sintasi squalene

4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo O 2 + NADPH

4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo O 2 + NADPH + H+ NADP Squalene epossidasi H 2 O H+ squalene epossido Squalene epossido ciclasi 19 reazioni (NADPH e O 2) lanosterolo rimozione 3 metili (due in C 4 ed uno in C 14) come CO 2 saturazione doppio legame (catena laterale) spostamento doppio legame (8, 9 5, 6)

ALTRE BIOSINTESI selenoproteine t. RNASec isopenteniladenosina trasduzione del segnale Proteine isoprenilate (Ras) farmaci antitumorali

ALTRE BIOSINTESI selenoproteine t. RNASec isopenteniladenosina trasduzione del segnale Proteine isoprenilate (Ras) farmaci antitumorali Dolicolo-P 18 -20 unità Eme a citocromo c ossidasi + Tyr Co. Q 10 o ubichinone Trasporto elettroni mitocondriale Proteine N- glicosilate Antiossidante lipofilo (immunoglobuline) Colesterolo ormoni acidi biliari vitamina D membrane

LDL fosfolipidi TG apo. B 100 colesterolo libero (non esterificato) esteri del colesterolo Il

LDL fosfolipidi TG apo. B 100 colesterolo libero (non esterificato) esteri del colesterolo Il colesterolo importato blocca la sintesi di altro colesterolo e del recettore Alti livelli ematici associati a rischio di malattia cardiovascolare Border line 130 -159 mg/d. L

REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ DELLA HMG~Co. A REDUTTASI

REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ DELLA HMG~Co. A REDUTTASI

VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCo. AR FINO A 200 VOLTE I. modulazione attività catalitica tramite inibizione

VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCo. AR FINO A 200 VOLTE I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto mevalonato farmaci (statine) II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione che dipende dallo STATO ENERGETICO DELLA CELLULA forma non fosforilata più attiva forma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente (AMPK) ATP/AMP ≈ 50 piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP] calo in [ATP] calo nella sintesi di colesterolo e ac. grassi III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesi sotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo via principale

STATINE HO X O CH 3 COOOH Inibitori competitivi della HMG Co. A reduttasi

STATINE HO X O CH 3 COOOH Inibitori competitivi della HMG Co. A reduttasi HO H 3 C COOOH O CH 3 R = CH 3 X= H lovastatina R = CH 3 X= CH 3 simvastatina R sono i composti più efficaci per livelli di LDL (~ 50%) sintesi colesterolo sintesi del recettore per le LDL (effetti modesti HDL) effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo anti-infiammatori anti-aggreganti miopatia (coenzima Q? canali ionici? proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi? ) neuropatia, disturbi intestinali

REGOLAZIONE dei LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI controllo feedback da parte del colesterolo DEGRADAZIONE e

REGOLAZIONE dei LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI controllo feedback da parte del colesterolo DEGRADAZIONE e BIOSINTESI REGOLATE dai LIVELLI CELLULARI DI COLESTEROLO (tramite sensori dei livelli di colesterolo del R. E. ) tramite PROTEOLISI CONTROLLATA

HMG~Co. A reduttasi 2 DOMINI dominio idrofilico citosolico C-terminale catalitico dominio idrofobico N-terminale ancorato

HMG~Co. A reduttasi 2 DOMINI dominio idrofilico citosolico C-terminale catalitico dominio idrofobico N-terminale ancorato al R. E. che contiene un dominio sensibile agli steroli importante per la stabilità I. DEGRADAZIONE (emivita 3 h) dominio sensibile agli steroli “sterol-sensing domain” in presenza di alti livelli di colesterolo degradata dal sistema ubiquitina- proteasoma

BIOSINTESI: regolazione trascrizionale tramite i fattori di trascrizione Sterol Regulatory Element - Binding Protein

BIOSINTESI: regolazione trascrizionale tramite i fattori di trascrizione Sterol Regulatory Element - Binding Protein SRE-BP Legano sequenze SRE Sterol Regulatory Element presenti nel promotore di geni coinvolti nella biosintesi di acidi grassi e colesterolo 2 isoforme sintetizzate da due distinti geni SRE-BP 1 c biosintesi di trigliceridi SRE-BP 2 biosintesi di colesterolo e recettori LDL

SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein SENSORE DEL COLESTEROLO contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio

SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein SENSORE DEL COLESTEROLO contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCo. A-R) Alti livelli colesterolo - Interazione Insig - SCAP e blcco di SREBP - nel RE cytosol ER Bassi livelli di colesterolo Complesso SCAP-SREBP N-terminale forma solubile attiva nucleare cytosol GOLGI S 1 P = proteasi del sito 1 S 2 P = proteasi del sito 2

SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di colesterolo: coefficiente di

SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di colesterolo: coefficiente di Hill 3, 5 Arun Radhakrishnan 1 et al. Cell metabolism 2008

REGOLAZIONE GLOBALE ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R. E. PORTANO A 1. Aumento della

REGOLAZIONE GLOBALE ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R. E. PORTANO A 1. Aumento della degradazione di HMG-Co. A reduttasi 2. Diminuzione della attivazione di SRE-BP SI ABBASSANO I LIVELLI BASSI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R. E. PORTANO A 1. Più lunga emivita di HMG-Co. A reduttasi 2. Aumento della attivazione di SRE-BP SI INNALZANO I LIVELLI

Regolazione epatica intermediate-density lipoprotein IDL SATURAZIONE RECETTORE ÛCALORIE TOTALI TRIGLICERIDI COLESTEROLO DIETA IPOCALORICA DIGIUNO

Regolazione epatica intermediate-density lipoprotein IDL SATURAZIONE RECETTORE ÛCALORIE TOTALI TRIGLICERIDI COLESTEROLO DIETA IPOCALORICA DIGIUNO

CATABOLISMO

CATABOLISMO

SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO acido taurocolico Idrossilato in C 3, C 7, C

SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO acido taurocolico Idrossilato in C 3, C 7, C 12 7 -idrossilasi Funzione nell’assorbimento dei lipidi NADPH O 2 R. E. Colesterolo H 2 O 7 -idrossilasi (CYP 7 A 1) 7 -idrossicolesterolo CYP 7 A 1 - indotta da colesterolo alimentare - inibita da sali biliari

ORMONI STEROIDEI COLESTEROLO C 27 PREGNENOLONE C 21 PROGESTERONE C 21 GLUCORTICOIDI C 21

ORMONI STEROIDEI COLESTEROLO C 27 PREGNENOLONE C 21 PROGESTERONE C 21 GLUCORTICOIDI C 21 cortisolo MINERALCORTICOIDI C 21 aldosterone ANDROGENI C 19 ESTROGENI C 18

NADPH + H+ O 2 FAD cit P 450 Fe- S reduttasi colesterolo FADH

NADPH + H+ O 2 FAD cit P 450 Fe- S reduttasi colesterolo FADH 2 NADP 20, 22 diidrossi colesterolo H 2 O 3 HC OH I OH CH–CH 2–CH–CH 3 I I CH 3 I desmolasi C=O CH 3 I I HO CH 3 I I. NAD+ deidrogenasi II. 4, 5 isomerasi progesterone HO pregnenolone + aldeide isocaproica

CH 3 progesterone (C 21) I C=O CH 3 I I CH 3 I

CH 3 progesterone (C 21) I C=O CH 3 I I CH 3 I O= glucocorticoidi (C 21) CH 2 -OH cortisolo I C=O CH 3 I HO OH I I CH 3 I O= OH CH 3 I I CH 3 OH I I CH 3 I O= androgeni (C 19) testosterone HO I estrogeni (C 18) estradiolo