METABOLISMO DEL COLESTEROLO

METABOLISMO DEL COLESTEROLO

Università di Roma TOR VERGATA CL in Medicina

Biochimica (Prof L. Avigliano)

COLESTEROLO

MOLECOLA 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 grasso

es. 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

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 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

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 Goldstein Univ of Texas - Nobel Prize 1985

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.

acetato

terpene

polimerizzazione

3

HC-C=CH-CH

CH

I

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

3HC CH₃

CH₃ CH₃

H CH₃ CH₃

HO

3HC CH₃ CH₃

CH₂ CH₂

O₂

NADPH

ATP, NADPH

C-C=C-C^I C

BIOSINTESI

Acetil CoA mitocondriale

- piruvato (da glucosio) - -ossidazione acidi grassi

esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato

citrato + 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~CoA sintasi

CoA-SH

HMG ~CoA reduttasi

2NADPH + H⁺ 2NADP⁺

CH₂ HO-C-CH₃

CH₂ CH₂O H COO^-

acetil CoA acetoacetil CoA idrossimetil glutaril ~ CoA mevalonato (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

fosfomevalonato chinasi ATP _ADP

CH₂ C - CHII ₃

CH₂-O-P ~P CH₂

ATP _{ADP + Pi} CO₂

fisfomevalonato decarbossilasi

CH₃

I

C - CH₃

CH₂-O-P ~P isopentenilpirofosfato CH

isomerasi

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica

dimetilallilpirofosfato Isopentenil pirofosfato

+ prenil

transferasi

PPi

geranilpirofosfato

PPi

farnesilpirofosfato

prenil transferasi

squalene sintasi

NADPH + H⁺ NADP⁺ + 2PPi

squalene

C5 C5 C10

C15 C30

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)

O₂

NADPH + H⁺ NADP⁺

Squalene epossidasi

H₂O

H⁺

squalene

squalene epossido

 



lanosterolo

19 reazioni (NADPH e O₂)

Squalene epossido

ciclasi

selenoproteine

Dolicolo-P

18-20 unità

Proteine N- glicosilate

(immunoglobuline)

Colesterolo CoQ₁₀ o ubichinone

Proteine

isoprenilate (Ras)

ormoni vitamina D

acidi biliari membrane Antiossidante

lipofilo Trasporto

elettroni mitocondriale trasduzione del segnale

 farmaci antitumorali

isopenteniladenosina

tRNA^Sec

+ Tyr Eme a

citocromo c ossidasi

ALTRE BIOSINTESI

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/dL

apoB100

esteri del colesterolo fosfolipidi

TG colesterolo 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 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

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

R

HO

CH₃ COO^- OH O

O

CH₃ X

HO COO^-

H₃C OH R = CH₃ X= H lovastatina

R = CH₃ X= CH₃ simvastatina

STATINE

Inibitori 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-infiammatori anti-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.)

tramite

PROTEOLISI CONTROLLATA

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

dominio idrofilico

citosolico C-terminale -catalitico

HMG~CoA reduttasi 2 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 colesterolo Complesso 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-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

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 C21 cortisolo

MINERALCORTICOIDI C21 aldosterone

ANDROGENI C19

ESTROGENI C18

CH₃

HO

CH₃

CH₃C=O

I

I

I I

3HC

HO

CH₃

CH–CH₂–CH₂–CH₂–CH–CH₃ CH₃

I

I

I

I I

CH₃

I. NAD+ deidrogenasi II. ^4,5 isomerasi

pregnenolone +

aldeide isocaproica progesterone

OH OH

desmolasi

NADPH + H⁺

NADP

FAD

reduttasi

FADH₂

Fe- S cit P450

colesterolo

20,22 diidrossi colesterolo

O₂

H₂O

O

CH₃ I

CH₃ I C=O I

=

O

OH I

=

HO

OH I

I

progesterone (C21) glucocorticoidi (C21)

cortisolo

androgeni (C19) testosterone

estrogeni (C18) estradiolo

O

CH₂-OH I

C=O I

=

I OH HO CH₃

I

CH₃ I

CH₃ I

CH₃ I

CH₃ I CH₃

I

CH₃ I