Sfingolipidi

La ―sfingosina‖ fu descritta per la prima volta da J.L.W. Thudichum nel 1884 e strutturalmente caratterizzata, come 2S, 3R, 4E-2-aminooctadec-4-ene-1 ,3-diolo, successivamente nel 1947 da Herbert Carter, che ha anche proposto il nome dei lipidi derivati dalla sfingosina come "sfingolipidi‖.

Gli sfingolipidi sono localizzati nelle membrane cellulari, nelle lipoproteine (specialmente LDL), ed in altre strutture ricche in lipidi quali la pelle. Essi sono di importanza fondamentale per il mantenimento della struttura della membrana, modulano il comportamento dei recettori del fattore crescita e le proteine delle matrici extracellulari (Hakomori, 1991), inoltre fungono da siti di legame per alcuni microrganismi, tossine microbiche e virus (Bennun et al., 1989; Fantini et al.; 1993, Karlsson, 1986). Dal punto di vista strutturale tali composti sono caratterizzati dalla presenza di un ammino-alcol a catena lunga, la sfingosina, o da un suo derivato, da una molecola di acido grasso a catena lunga e da una testa polare alcolica unita in alcuni casi da un legame glicosidico, in altri da un ponte fosfodiestere (Figura 4.20).

Come per altri lipidi di membrana, gli sfingolipidi sono molecole anfipatiche per la presenza di una porzione idrofobica e una testa polare variabile. Tale caratteristica garantisce loro la possibilità di permanere nelle membrane e affacciarsi contemporaneamente verso compartimenti citoplasmatici o extracellulari acquosi.

Gli atomi di carbonio C-1, C-2 e C-3 della sfingosina sono strutturalmente analoghi ai tre atomi di carbonio del glicerolo nei glicerofosfolipidi. Quando una molecola di acido grasso si lega mediante legame amidico al gruppo –NH2 sull‘atomo di carbonio in posizione sn2 della sfingosina, si forma un ceramide, che è simile strutturalmente ad un diacilglicerolo. Il ceramide è l‘unità fondamentale comune a tutti gli sfingolipidi.

Vi sono tre sottoclassi di sfingolipidi, derivate tutte dal ceramide, ma diverse per le loro teste polari:

 Le sfingomieline;  I glicolipidi neutri;  I gangliosidi.

Le sfingomieline contengono come testa polare fosfocolina o fosfoetanolammina, sono presenti nella membrana plasmatica delle cellule animali, e sono particolarmente rappresentate nella mielina, una guaina membranosa che circonda e isola gli assoni di alcuni neuroni.

I glicosfingolipidi, localizzati sulla superficie esterna delle membrane plasmatiche, hanno una testa polare costituita da uno o più zuccheri legati direttamente al gruppo ossidrilico del C-1 del

ceramide e non contengono fosfato. I cerebrosidi, chiamati anche glicolipidi neutri, in quanto non posseggono carica a pH 7, hanno un‘unica unità saccaridica legata ad un ceramide, quelli con galattosio si trovano nella membrana plasmatica del tessuto neurale, e quelli con glucosio nella membrana plasmatica di cellule di tessuti diversi da quello nervoso. I globosidi sono glicosfingolipidi neutri con due o più zuccheri, di solito D-glucosio o N-acetil-D-galatosammina.

I gangliosidi, gli sfingolipidi più complessi, hanno teste polari formate da oligosaccaridi complessi, che terminano con uno o più residui di acido N-acetilneuramminico (acido sialico), sono localizzati nelle membrane plasmatiche e particolarmente abbondanti nelle cellule del tessuto nervoso.

Figura 4.20 - Formula degli sfingolipidi.

Negli uomini sono stati identificati più di 400 sfingolipidi differenti per lunghezza della sfingosina, grado di saturazione degli acidi grassi e per il gruppo di testa, inoltre gli sfingolipidi sono presenti in molti alimenti (Tabella 4.6).

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Tabella 4.6 - Contenuto di sfingolipidi in alcuni alimenti e loro consumo annuo pro capite (Vesper et al., 1999).

Come mostrato in tabella la quantità degli sfingolipidi nei prodotti alimentari varia notevolmente passando da poche micromoli per chilogrammo nella frutta e in alcuni vegetali a circa 2mmol/Kg (1-2 g/Kg) nei prodotti caseari , nelle uova e nella soia. Le voci in Tabella 4.6 coprono quasi l‘80% (in peso) dei cibi consumati negli Stati Uniti, mentre il resto è composto da edulcoranti (9%) (che non contengono sfingolipidi), altra frutta e verdura (12%) e varie (3%).

Se ci si basa su un consumo pro capite annuo di 873 kg di prodotti alimentari, gli sfingolipidi costituiscono lo 0,01-0,02% della dieta (in peso). Questa quantità (0,3-0,4 g/d), è paragonabile, ai lipidi come il colesterolo e i tocoferoli (Ensminger et al. 1994).

Molti sfingolipidi oltre che provenire dalla dieta possono essere sintetizzati e metabolizzati nel corpo come mostrato in Figura 4.21.

Figura 4.21 - Schema del metabolismo degli sfingolipidi (Duan, 2005). Abbreviazioni: ACS: acilceramide sintetasi, CDase: ceramidase, CDK: ceramide Kinasi, GCD: glicosidasi, GCS: glucosilceramide sintasi, SMase: sfingomielinasi, SMS: sfingomielina sintasi, SPK: sfingosina Kinasi, SPL: sfingosina-p liasi, SPT: serina palmitoiltransferasi.

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La sintesi di tutti gli sfingolipidi ha inizio dalla condensazione della serina con il palmitoil- CoA. Dopo una serie di reazioni comprendenti riduzioni, acilazioni e desaturazioni, viene formato il ceramide, se a questo si lega una colina derivata dalla fosfatidilserina, si forma la sfingomielina (SM). Invece se il ceramide viene glicosilato si formano i glicosfingolipidi.

Sia la SM che alcuni glicosilceramidi possono essere degradati a ceramide rispettivamente da una sfingomielinasi (SMase) e glicosidasi. Il ceramide se non va incontro al meccanismo di sintesi, sarà idrolizzato a sfingosina da una ceramidasi, la sfingosina così ottenuta può essere fosforilata a sfingosina-1-fosfato. Il ceramide può a sua volta essere fosforilato o acilato per formare rispettivamente il ceramide-1 fosfato e 1-O- acilceramide. I principali prodotti degli sfingolipidi sono fosfoetanolammina e palmitaldeide, che possono essere riutilizzati una per la sintesi della fosfatidiletanolammina e l‘altra per gli acidi grassi.

Il metabolismo degli sfingolipidi genera segnali biologicamente attivi che influenzano la proliferazione cellulare, la differenziazione e l‘apoptosi. Tra questi metaboliti il ceramide e la sfingosina sono molecole che inibiscono la proliferazione cellulare, stimolano la differenziazione cellulare e inducono apoptosi, al contrario la sfingosina 1-fosfato promuove la sopravvivenza cellulare e inibisce l‘apoptosi, ed è pertanto mitogenico (Hannun & Bell, 1989), (Figura 4.22).

Figura 4.22 - Effetti biologici dei principali metaboliti degli sfingolipidi.

I meccanismi degli effetti di questi messaggeri lipidici coinvolgono una specifica proteina fosfatasi, una proteasi e una chinasi, che modificano le espressioni o le attività di molte molecole chiave e i fattori trascrizionali quali per esempio JNK, pRb, e c-myc.

Le molecole antiproliferative e proliferative derivate dal metabolismo degli sfingolipidi evidenziano un ruolo degli sfingolipipidi nello sviluppo del cancro in particolare sullo sviluppo del cancro al colon. Brasitus et al., (1986) per primi, hanno osservato che un accumulo di SM nel colon di ratti a cui è stato indotto il cancro con 1,2 dimetilidrazina (DMH, agente cancerogeno chimico), precede lo sviluppo del cancro. Risultati simili sono stati ottenuti in uno studio sugli uomini (Merchant et al., 1995), in cui la SM è stata determinata nei linfonodi di pazienti con tumore al colon, e livelli più elevati di SM sono stati determinati nei linfonodi positivi rispetto a quelli negativi. L‘aumento della SM nei tessuti malati si può riflettere sull‘inibizione dell‘idrolisi di SM, in quanto i livelli di ceramide nei pazienti con tumore al colon sono ridotti del 50%.

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Dillehey et al., (1994) hanno dimostrato che una dieta a base di SM inibiva la carcinogenesi in topi trattati con DMH. Questo effetto antitumorale è stato poi confermato in altri studi in cui la somministrazione di altri tipi di sfingolipidi inibivano lo sviluppo della carcinogenesi al colon (Schmelz et al., 1996; 2000). Poiché gli sfingolipidi non sono assorbiti intatti, probabilmente l‘effetto antitumorale è ascrivibile ai metaboliti quali ceramide e sfingosina. Questa ipotesi è stata confermata, da studi in vivo, in cui è stato dimostrato che la somministrazione di ceramide imitava l‘effetto della SM proveniente dalla dieta, e da studi in vitro che dimostravano gli effetti antitumorali del ceramide e della sfingosina sulle cellule cancerogene nel colon (Schmelz et al., 1999; Ahnn & Schroeder, 2002).

Prove di alimentazione con ratti sia a breve che a lungo termine (Imaizumi et al. 1992; Kobayashi et al. 1997) hanno indicato che gli sfingolipidi possono ridurre il colesterolo plasmatico, fattore di rischio per l‘aterosclerosi. In questo esperimento il colesterolo plasmatico totale è diminuito del 30% nei ratti alimentati con diete semipurificate integrate con una miscela di sfingomielina e glicosfingolipidi (1% della dieta totale) più 4% di olio di soia per un massimo di due generazioni, rispetto ai ratti alimentati con il 5% olio di soia (il livello dei trigliceridi plasmatici era lo stesso).

Fantini et al, (1997) hanno osservato che gli sfingolipidi di origine sintetica possono inibire virus e batteri, pertanto, è plausibile che gli sfingolipidi presenti nel cibo possano competere con i microorganismi per i siti di legame cellulari e facilitare l'eliminazione di organismi patogeni dall'intestino. E‘ stato ipotizzato che i glicofosfolipidi possano proteggere contro microorganismi patogeni (Newburg & Chaturvedi, 1992, Zopf, 1996). Purtroppo, alcuni glicosfingolipidi sembrano invece partecipare a disturbi indotti da microrganismi. Una parte delle persone infettate con il

Campylobacter jejuni hanno sviluppato la sindrome di Miller Fisher, che sembra coinvolgere lo

sviluppo di anticorpi cross-reattivi contro gangliosidi e C. jejuni lipopolisaccaridi (Jacobs et al. 1997).

Attualmente, le malattie per le quali esistono più prove sull‘effetto benefico degli sfingolipidi introdotti con la dieta sono l'aterosclerosi e il cancro al colon, tuttavia, gli studi sono ancora pochi per cui c‘è la necessità di ulteriori studi su animali da laboratorio e sugli uomini (Vesper et al., 1999).

Capitolo 5