METABOLISMO del

COLESTEROLO

COLESTEROLO

MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO

Colesterolo. unico sterolo sintetizzato dagli animali

Le piante sintetizzano diversi steroli (fitosteroli)

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 bassi

Stretta correlazione fra livelli di colesterolo ematico e rischio di malattia coronarica

biosintesienzima chiave HMGCoA reduttasi

catabolismo enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi

captazione dal circolorecettori per le lipoproteine

FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo

Vie coordinatedai livelli dicolesterolo

omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni

ENTEROCITA studiata negli ultimi anni

CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE

Biosintesi

Formazione dei chilomicroni

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 Dallas, Texas - Nobel Prize 1985

J. Biol Chem 1974Binding and degradation of LDL by cultured human fibroblats: comparison of cells from normal subjects and from patients with homozygous Familial Hypercholesterolemia

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

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

CH2

CH2

O2

NADPH

ATP, NADPH

C-C=C-CI

C

HO

3HC

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

HO

3HC

CH3

CH3

1. Condensazione di 3 unità di acetato a dare un intermedio a 6 atomi di C, il mevalonatoTappa regolatoria e limitante:riduzione della HMGCoA a mevalonato

2. Conversione del mevalonato in unità isopreniche attive

3. Polimerizzazione di 6 unità isopreniche a 5 atomi di C a formare un catena lineare a 30 atomi di C (squalene)

4. Ciclizzazione dello squalene per dare la struttura steroidea, seguita da una ulteriore serie di modificazioni che portano al colesterolo

LA BIOSINTESI RICHIEDE

Acetil 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

IMPORTANZA DEL GLUCOSIO NELLA SINTESI DEL COLESTEROLO

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

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

pirofosfomevalonatodecarbossilasi

CH3

IC - CH3

CH2-O-P ~P

CHisopentenilpirofosfatoisomerasi

3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato isoprene attivato

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica

dimetilallilpirofosfato Isopentenil pirofosfato

+prenil

transferasi

PPi

geranilpirofosfato

PPi

farnesilpirofosfato

preniltransferasi

squalene sintasi

NADPH + H+ NADP+ + 2PPi

squalene

C5 C5 C10

C15C30

2 X

testa -coda

testa-testa

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)

O2

NADPH + H+ NADP+

Squaleneepossidasi

H2O

H+

squalenesqualene 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 che utilizzano la molecola isoprenica

Il colesterolo importato blocca la sintesi del colesterolo

e del recettore per le 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 idrofilicocitosolico C-terminale -catalitico

HMG~CoA reduttasi2 DOMINI

DEGRADAZIONE accelerata in presenza di alti livelli colesterolo tramite sistema ubiquitina-proteasoma

(emivita HMGCoAR ~3,5 h)

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

importante per la stabilità

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 (alta cooperatività) e quindi piccole variazioni in colesterolo sufficienti a indurre una risposta aattativa

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-BP

SI 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-BP

SI 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

Idrossilato in C3, C7, C12

7-idrossilasi

Regolazione del catabolismo:

CYP7A1- indotta da colesterolo alimentare - inibita da sali biliari

HMG-CoA reduttasi

–

Acidoascorbico

acidodeidroascorbicoO2 H2O

7-idrossilasi (CYP7A1)R.E. Colesterolo 7 -idrossicolesterolo

Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile

CIRCOLO ENTEROEPATICO

Sali biliari: sintetizzati 400 mg/die riciclati 20-30 g/die

BILE -82% H2O

5% colesterolo.15% fosfatidilcolina 80% sali biliari

Vegetariani stretti assunzione con la dieta <55 mg dalla bile 750 mg

Dieta occidentale assunzione con la dieta 300-500 mg dalla bile 800-1200 mg

ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO

A PARITA’ DI INTROITO CALORICO

Acidi grassi saturi (e trans insaturi <5% nella carne e latte ruminanti)

Saccarosio, fruttosio (generano trigliceridi)

Colesterolo (effetto minore di grassi saturi)

= Acidi grassi monoinsaturi effetto neutro o positivo (altri componenti)

Acidi grassi polinsaturi n-6 ed n-3

Dieta ipocalorica e calo ponderale

Attività fisica aerobica ( HDL)

Fibra alimentare;

Fitosteroli

Controllo non farmacologico della colesterolemia Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document

Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL