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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 molecola più premiata: 13 Premi Nobel - PowerPoint PPT Presentation
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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