METABOLISMO DEL

COLESTEROLO

Università di Roma TOR VERGATACL in Medicina

Biochimica (Prof L. Avigliano)

COLESTEROLOMOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO

ORGANISMO

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

scoperto nel 1784 nei calcoli biliari

Gruppo alcolico esterificato con acido grassoes. nelle lipoproteine

ALCOL

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

FUNZIONIstrutturale Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane

precursore - acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA- ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali)- vitamina D

EFFETTI DANNOSImolecola apolare, assolutamente insolubile in acqua- se precipita, non più rimovibile con conseguente danno

cellulare- se si accumula in modo errato nelle arterie non può più

essere rimosso; i livelli ematici devono rimanere bassiStretta correlazione fra livelli di colesterolo ematico e rischio di malattia coronarica

omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni

biosintesi enzima chiave HMGCoA reduttasi

catabolismo enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi

captazione dal circolo recettori per le lipoproteine

FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo

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.

Michael Brown e Joseph GoldsteinUniv of Texas - Nobel Prize 1985

JBC classic 2006 vol 281 N.31the 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.

acetato

terpene

polimerizzazione

3HC-C=CH-CH3

CH3I isoprene

acetilCoA

isoprene(5 atomi di carbonio)

squalene(30 atomi di carbonio)

Prodotto di ciclizzazione(30 atomi di carbonio)

colesterolo(27 atomi di carbonio)

lanosterolo

polimerizzazione

STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA

O2

RETICOLO ENDOPLASMATICO

HO

3HCCH3

CH3

CH3

HCH3 CH3

HO

3HCCH3

CH3

CH2

CH2

O2

NADPH

ATP, NADPH

C-C=C-CI

C

BIOSINTESIAcetil CoA mitocondriale

- piruvato (da glucosio)- -ossidazione acidi grassi

esportato dal mitocondrio sotto forma di citratocitrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi

ossalacetato + NADH malato + NAD+

malato + NADP+ + H2O + enzima malico piruvato + HCO3- + NADPH + H+

NADPH + H+

- via dei pentosi fosfati (glucosio)- enzima malico

ATP fosforilazione ossidativa

1. Conversione di 3 composti C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevalonato)

HMG~CoA reduttasi PUNTO DI CONTROLLO DEL PROCESSO BIOSINTETICO

CO-S-CoA + CH3

CH3 C=O

CH2

CO -S-CoA

COO-

CH2

HO-C-CH3

CH2

CO -S-CoA

CoA-SH

HMG~CoAsintasi

CoA-SH

HMG ~CoAreduttasi

2NADPH + H+ 2NADP+

CH2

HO-C-CH3

CH2

CH2O H

COO-

acetil CoA acetoacetil CoA mevalonatoidrossimetil glutaril ~ CoA (HMG~CoA)

* *

2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato)Tre tappe di fosforilazione con il consumo di 3 ATP

3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato

mevalonato 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato

CH2

HO-C-CH3

CH2

CH2O H

COO-mevalonato

chinasi

ATP ADP

CH2

HO- C-CH3

CH2

CH2-O-PO3H–

COO- COO-

CH2

HO- C-CH3

CH2-O-P~P CH2

fosfomevalonatochinasi

ATP ADP

CH2

IIC - CH3

CH2-O-P ~P CH2

ATP ADP + Pi CO2

fisfomevalonatodecarbossilasi

CH3

IC - CH3

CH2-O-P ~P CHisopentenilpirofosfato

isomerasi

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica

dimetilallilpirofosfato Isopentenil pirofosfato

+ preniltransferasi

PPi

geranilpirofosfato

PPi

farnesilpirofosfato

preniltransferasi

squalene sintasi

NADPH + H+ NADP+ + 2PPi

squalene

C5 C5 C10

C15C30

2 X

4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo

rimozione 3 metili (due in C4 ed uno in C14) come CO2

saturazione doppio legame (catena laterale)spostamento doppio legame (8,9 5,6)

O2NADPH + H+ NADP+

Squaleneepossidasi

H2O

H+

squalene squalene epossido

lanosterolo

19 reazioni(NADPH e O2)

Squaleneepossido

ciclasi

selenoproteine

Dolicolo-P18-20 unità

ProteineN- glicosilate

(immunoglobuline) ColesteroloCoQ10 o ubichinone

Proteine isoprenilate (Ras)

ormoni vitamina D

acidi biliari membrane

Antiossidante lipofilo

Trasporto elettroni

mitocondriale

trasduzionedel segnale

farmaci antitumorali

isopenteniladenosina

tRNASec

+ Tyr

Eme acitocromo c ossidasi

ALTRE BIOSINTESI

Il colesterolo importato blocca la sintesi di altro colesterolo e del recettore

Alti livelli ematici associati a rischio di malattia cardiovascolareBorder line 130-159 mg/dL

apoB100

esteri del colesterolo

fosfolipidi

TGcolesterolo libero(non esterificato)

LDL

REGOLAZIONE DELLA

ATTIVITA’ DELLA

HMG~CoA

REDUTTASI

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 attivaforma 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 biosintesisotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo

via principale

VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCoAR FINO A 200 VOLTE

R

HO

CH3

COO-

OH

O

O

CH3

X

HOCOO-

OHH3C R = CH3 X= H lovastatina

R = CH3 X= CH3 simvastatina

STATINEInibitori competitivi della HMG CoA reduttasi

sono i composti più efficaci per livelli di LDL (~ 50%) sintesi colesterolo sintesi del recettore per le LDL (effetti modesti HDL)

anti-infiammatorianti-aggreganti

miopatia (coenzima Q? canali ionici? proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi?) neuropatia, disturbi intestinali

effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo

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.)

tramitePROTEOLISI CONTROLLATA

dominio idrofobico N-terminale ancorato al R.E. che contiene un dominio sensibile agli steroli - importante per la stabilità

dominio idrofilicocitosolico C-terminale -catalitico

HMG~CoA reduttasi2 DOMINI

I. DEGRADAZIONE (emivita 3 h)

dominio sensibile agli steroli “sterol-sensing domain”in presenza di alti livelli di colesterolo degradata dal

sistema ubiquitina- proteasoma

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-BP1c biosintesi di trigliceridi

SRE-BP2 biosintesi di colesterolo e recettori LDL

BIOSINTESI: regolazione trascrizionale

SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein

contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCoA-R)

SENSORE DEL COLESTEROLO

Alti livelli colesterolo - Interazione Insig - SCAP e blcco di SREBP - nel RE

N-terminale - forma solubile attiva nucleare

S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2

cytosol

ER

cytosol

GOLGI

Bassi livelli di colesteroloComplesso SCAP-SREBP

SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di colesterolo: coefficiente di Hill 3,5

Arun Radhakrishnan1 et al. Cell metabolism 2008

REGOLAZIONE GLOBALE

ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Aumento della degradazione di HMG-CoA reduttasi

2. Diminuzione della attivazione di SRE-BPSI ABBASSANO I LIVELLI

BASSI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Più lunga emivita di HMG-CoA reduttasi

2. Aumento della attivazione di SRE-BPSI INNALZANO I LIVELLI

Regolazione epatica

intermediate-density lipoprotein IDL

SATURAZIONE RECETTORE CALORIE TOTALI TRIGLICERIDI COLESTEROLO

DIETA IPOCALORICA DIGIUNO

CATABOLISMO

SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO

acido taurocolico

Funzione nell’assorbimento dei lipidi

R.E. Colesterolo 7 -idrossicolesterolo

CYP7A1- indotta da colesterolo alimentare - inibita da sali biliari

NADPH NADP

O2 H2O

7-idrossilasi (CYP7A1)

Idrossilato in C3, C7, C12 7-idrossilasi

ORMONI STEROIDEI

COLESTEROLO C27

PREGNENOLONE C21

PROGESTERONE C21

GLUCORTICOIDI C21cortisolo

MINERALCORTICOIDI C21aldosterone

ANDROGENI C19

ESTROGENI C18

CH3

HO

CH3

C=OCH3

I

I

I

I

3HC

HO

CH3

CH–CH2–CH2–CH2–CH–CH3CH3

I

I

I

I ICH3

I. NAD+ deidrogenasiII. 4,5 isomerasi

pregnenolone +aldeide isocaproicaprogesterone

OH OH

desmolasi

NADPH+ H+

NADP

FAD

reduttasi

FADH2

Fe- S cit P450

colesterolo

20,22 diidrossicolesterolo

O2

H2O

O

CH3

I

CH3

IC=OI

=

O

OHI

=HO

OHI

I

progesterone (C21)glucocorticoidi (C21)cortisolo

androgeni (C19)testosterone

estrogeni (C18)estradiolo

O

CH2-OHIC=OI

=

OHIHO

CH3

I

CH3

I

CH3

I

CH3

I

CH3

I

CH3

I

CH3

I