Vie anaboliche endoergoniche che utilizzano ATP E NADPH

BIOSINTESI DEI LIPIDI BIOSINTESI DEI LIPIDI

Vie anaboliche endoergoniche che utilizzano ATP E NADPH

BIOSINTESI d li ACIDI GRASSI BIOSINTESI degli ACIDI GRASSI Citosol delle cellule del FEGATO, del TESSUTO ADIPOSO, della GHIANDOLA MAMMARIA

FUNZIONANTE FUNZIONANTE

La prima tappa prevede la

forma ione di malonil CoA ad formazione di malonil-CoA ad

opera dell’acetil-CoA carbossilasi (ACC)(enzima biotina-dipendente) (ACC)(enzima biotina dipendente)

ACC

L’ACC ha 3 regioni funzionali g e catalizza la reazione in 2 tappe

L i i i d t

La reazione avviene in due tappe.

Biotina-ACC + ATP + HCO₃^- → CO₂-biotina-ACC + ADP + Pi CO₂-biotina-ACC + acetil CoA → malonil CoA + biotina-ACC

La biotina è il gruppo prostetico degli enzimi:

•Piruvato carbossilasi per la sintesi di OAA (1° reaz della gluconeogenesi)

gluconeogenesi)

•Propionil-Coa carbossilasi (degrad ac. grassi a catena dispari)

dispari)

• Acetil-CoA carbossilasi (sintesi acidi grassi)

La sintesi della lunga catena alifatica degli acidi grassi è possibile grazie ad una sequenza di reazioni ripetute Tale sequenza consta di grazie ad una sequenza di reazioni ripetute. Tale sequenza consta di 4 tappe:

1 condensazione 2 riduzione 3 deidratazione 4 riduzione 1.condensazione 2.riduzione 3.deidratazione 4.riduzione

Tutte le reazioni del processo biosintetico sono catalizzate da un

l lti i ti hi t id i t i

complesso multienzimatico chiamato acido grasso sintasi.

Sebbene la struttura di questo complesso sia differente nei diversi organismi, la sequenza delle quattro reazioni è sempre la stessa.

Le proteine del complesso cooperano tra loro per catalizzare la formazione degli acidi grassi a partire da acetil-CoA e da malonil- CoA. Gli intermedi che si formano durante il processo restano legati

l t t d d i d i ti li i d l l U

covalentemente ad uno dei due gruppi tiolici del complesso. Un punto di legame è il gruppo –SH di un residuo di Cys in una delle sette proteine (la β-chetoacil-ACP sintasi; l’altro è il gruppo –SH sette proteine (la β chetoacil ACP sintasi; l altro è il gruppo SH della proteina trasportatrice di acili, ACP

La ACP di E.coli è una piccola proteina che contiene il gruppo

prostetico della fosfopanteteina. Il legame tioestere che unisce l’ACP prostetico della fosfopanteteina. Il legame tioestere che unisce l ACP all’acile ha un’elevata energia libera di idrolisi e l’energia rilasciata dalla sua rottura consente alla prima reazione della sintesi degli acidi grassi, la condensazione, di essere termodinamicamente favorevole. Il gruppo prostetico dell’ACP ha la funzione di braccio flessibile che

ancora le catene dell’acido grasso in fase di crescita sulla superficie del ancora le catene dell acido grasso in fase di crescita sulla superficie del complesso dell’ acido grasso sintasi e trasporta gli intermedi delle

reazioni da un sito attivo all’altro.

Biosintesi di Acidi Grassi Ad opera del Complesso

dell’acido Grasso Sintasi (FAS) Cicli di 4 tappe:

1 condensazione 1. condensazione

2. riduzione

3. deidratazione 4 riduzione

4. riduzione

COMPLESSO FAS

1. Acetil-CoA-ACP

transacetilasi (AT) MAT FAS

2. Malonil-CoA-ACP transferasi (MT)

3. β-chetoacil-ACP sintasi (KS) (enzima

condensante) condensante)

4. β-chetoacil-ACP reduttasi (KR)

5. β-idrossiacil-ACP deidratasi (HD)

6. Enoil-ACP reduttasi (ER) 7. Proteina trasportratrice di

Acili (ACP)

ACP : Acyl Carrier Protein

Inizio del secondo ciclo delle reazioni del complesso

FAS

1. Acetil-CoA-ACP

t til i

transacetilasi

2. Malonil-CoA-ACP

f i

transferasi

3. β-chetoacil-ACP sintasi (enzima condensante) 4. β-chetoacil-ACP β

reduttasi

5. β-idrossiacil-ACP 5. β idrossiacil ACP

deidratasi

6 Enoil-ACP reduttasi 6. Enoil-ACP reduttasi

Primo ciclo di sintesi degli acidi g grassi: reazioni di condensazione, riduzione, deidratazione, riduzione La CO₂ allontanata proviene dal malonilCoA

La sintesi di acetil ACP avviene La sintesi di acetil-ACP avviene grazie all’enzima acetil-CoA-ACP transacilasi, che trasferisce l’acetile

l SH d ll’ i

sul gruppo -SH dell’enzima

condensante. Quest’ultimo condensa il malonil (che perde l’anidride

carbonica e che è legato all’ACP) all’acetile.

L’acetil-CoA si lega all’ACP acetil-CoA-

ACP

transacetilasi

lega all ACP

transacetilasi malonil-

CoA-ACP transferasi

transferasi β-chetoacil-

ACP sintasi (enzima condensante) condensante)

Nota bene: la

β-chetoacil-ACP

CO₂ introdotta per formare il malonile

reduttasi

malonile viene qui allontanata

β-chetoacil-ACP reduttasi

β-idrossiacil-ACP deidratasi β

__

enoil-ACP reduttasi

(Crotonil-ACP)

Palmitoil tioesterasi (attività ( idrolitica)

E’ da notare che gli atomi di carbonio metilico e carbonilico dell’

E da notare che gli atomi di carbonio metilico e carbonilico dell acetil-CoA diventano rispettivamente gli atomi di C 16 e 15 della molecola di palmitato; gli altri atomi di Cp ; g dell’acido grasso g

derivano dal malonil-CoA CH₃-CH₂- (CH₂)₁₃-COO^- CH₃ CH₂ (CH₂)₁₃ COO

La reazione complessiva della sintesi del palmitato da acetil-CoA La reazione complessiva della sintesi del palmitato da acetil CoA può essere divisa in due parti. Nella prima vi è la formazione di 7 molecole di malonil-CoA:

7 Acetil-CoA + 7 CO₂ + 7 ATP→ 7 malonil-CoA + 7 ADP + 7 P_i poi vengono i 7 cicli di condensazione e di riduzione:

poi vengono i 7 cicli di condensazione e di riduzione:

Acetil-CoA + 7 malonil-CoA + 14 NADPH + 14 H⁺ → palmitato + 7 CO₂ + 8 CoA + 14 NADP⁺ + 6 H₂O

per somma delle due reazioni si ottiene la stechiometria della per somma delle due reazioni si ottiene la stechiometria della reazione complessiva

8 Acetil CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H⁺→ palmitato + 8 CoA + 8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H⁺ → palmitato + 8 CoA + 14 NADP⁺ + 7 ADP+ 7 P_i + 6 H₂O

Sia i trasportatori di elettroni sia i gruppi attivanti sono p g pp

diversi in questa sequenza riduttiva anabolica da quelli che partecipano al processo catabolico. Infatti nella β

id i li tt i di l tt i il NAD⁺ il ossidazione gli accettori di elettroni sono il NAD⁺ e il FAD, mentre il gruppo attivante è il gruppo tiolico (-SH) del coenzima A Al contrario nella sequenza biosintetica del coenzima A. Al contrario, nella sequenza biosintetica, l’agente riducente (che dona quindi gli elettroni) è il

NADPH e i gruppi attivanti sono il gruppo -SH della

proteina trasportatrice di acili (ACP) e il gruppo -SH di un residuo di Cys dell’enzima condensante.

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI

LEHNINGER 4/E Zanichelli

Cellule animali e di lievito Cellule delle piante

Mitocondri

non c’è ossidazione degli ac Grassi

N

ac. Grassi

ossidazione degli ac.

grassi

N N

produzione di acetil-CoA sintesi di corpi chetonici

Reticolo

endoplasmatico i i di f f li idi

Cloroplasti Citosol

Perossisomi/

gliossisomi

sintesi di fosfolipidi sintesi di steroli (tappe finali)

produz.

NADPH e ATP alto[NADPH]/

produzione di NADPH alto[NADPH]/[NADP⁺]

i i di i idi

ossid. ac.

Grassi t l i allungamento e

insaturazione degli ac.grassi

alto[NADPH]/

[NADP⁺] sintesi di ac.

grassi sintesi di isoprenoidi e

disteroli (tappe iniziali) sintesi di ac. grassi

catalasi, perossidasi

Localizzazione subcellulare del metabolismo lipidico

grassi

Localizzazione : Citosol di adipociti ed t iti

epatociti

Regolazione della sintesi degli acidi

(ATTIVATORE ALLOSTERICO)

sintesi degli acidi grassi:

avviene

principalmente a livello dell’ACC ACC

(INIBITORE RETROATTIVO)

Vie di sintesi di altri acidi grassi altri acidi grassi

Negli animali, la biosintesi degli acidi grassi avviene nel citosol, g , utilizzando l’acetil-CoA formatosi nei mitocondri (ad opera del

complesso della piruvico p p deidrogenasi) che (quando la

domanda di ATP è bassa) non entra nel ciclo dell’acido citrico. Per poter passare nel citosol questo acetil-CoA viene trasformato in citrato ed

utilizza il sistema di trasporto degli acidi tricarbossilici. Nel citosol l’ATP-citrato liasi catalizza la

formazione di OAA che viene ridotto

i ti t l t Il l t

enzimaticamente a malato. Il malato viene decarbossilato in modo

ossidativo (ad opera dell’enzima malico) a piruvato con formazione di malico) a piruvato con formazione di NADPH che viene utilizzato nelle successive reazioni riduttive della biosintesi degli acidi grassi Il biosintesi degli acidi grassi. Il

piruvato può ritornare (utilizzando il suo trasportatore) nel mitocondrio

Nelle piante tutto questo non è necessario perché la biosintesi degli

idi i i i l l ti d l i i l i

acidi grassi avviene nei cloroplasti, dove, per le reazioni luminose della fotosintesi si ha un elevato rapporto [NADPH]/[NADP⁺].Anche in questo caso l’acetil -CoA proviene dal piruvato per azione del

in questo caso l acetil CoA proviene dal piruvato per azione del complesso della piruvico deidrogenasi (presente sia nei mitocondri, come nelle c.animali, che nei plastidi) . Il piruvato può provenire dalla glicolisi* (nei tessuti non fotosintetici delle piante è fornito dalla glicolisi ad opera di enzimi citosolici e, mediante permeasi,

i i t t i l tidi) d l f f li t d tt

viene importato nei plastidi) oppure dal fosfoglicerato, un prodotto del ciclo di Calvin (che avviene appunto nel cloroplasto). Le fonti di NADPH ed ATP sono diverse a seconda dei tessuti:

NADPH ed ATP sono diverse a seconda dei tessuti:

nelle foglie la fase luminosa della fotosintesi

nei semi la via ossidativa dei pentosi (che produce NADPH) e la glicolisi (che produce ATP)

*nota bene, nelle piante la glicolisi può avvenire sia nel citosol che nei plastidi

Alcuni acidi grassi vengono resi insaturi g g per azione di enzimi detti desaturasi . Per esempio il palmitato (16:0) è il

d l l i l (16 1( Δ⁹) precursore del palmitoleato (16:1( Δ⁹), oppure oleato (18:1 (Δ⁹) è il precursore del linoleato (18:2(Δ^9,12) che a sua volta del linoleato (18:2(Δ ) che a sua volta è il precursore del linolenato

(18:3(Δ^9,12,15). Questi due ultimi acidi grassi sono definiti essenziali perché non sono sintetizzati dai mammiferi che

li d l t

li devono assumere con la componente vegetale della dieta. Infatti questi due acidi grassi sono sintetizzati ad opera di acidi grassi sono sintetizzati ad opera di desaturasi specifiche delle piante

La biosintesi degli acidi grassi è fortemente regolata

l’enzima chiave è l’acetil-CoA carbossilasi perché catalizza la tappa limitante la velocità del processo. Nei vertebrati questo enzima è regolato: a) allostericamente (il citrato attiva

enzima è regolato: a) allostericamente (il citrato attiva

l’enzima mentre inibisce l’attività della fosfofruttochinasi-1 riducendo il flusso glicolitico); b) covalentemente (gli ormoni

l d d li i tti l’ i hé

glucagone ed adrenalina inattivano l’enzima perché ATTIVANO LA Proteina Chinasi A che lo fosfori).

Nelle piante l’acetil-CoA carbossilasi è attivato da un Nelle piante l acetil CoA carbossilasi è attivato da un

aumento di pH e di [Mg ²⁺], condizioni che si ottengono nello stroma del cloroplasto in seguito ad illuminazione.

Inoltre negli animali la β ossidazione è inibita dal malonil- CoA che inibisce la carnitina aciltransferasi I, cioè

impedendo l’ingresso degli acili nel mitocondrio. Questo impedendo l ingresso degli acili nel mitocondrio. Questo meccanismo di controllo è un altro esempio dei vantaggi che si possono avere dal separare le vie biosintetiche e

degradative in due compartimenti subcellulari diversi degradative in due compartimenti subcellulari diversi.

L i t d li idi i La maggior parte degli acidi grassi sintetizzati o ingeriti da un

organismo possono avere uno dei organismo possono avere uno dei seguenti destini:

incorporazione nei triacilgliceroli -incorporazione nei triacilgliceroli (conservazione di energia)

incorpora ione nei fosfolipidi - incorporazione nei fosfolipidi (componenti delle membrane)

Biosintesi dei triacilgliceroli Biosintesi dei triacilgliceroli

I triacilgliceroli vengono prodotti nei tessuti animali a partire da due precursori (gli acil-CoA e L-glicerolo 3-fosfato) mediante una due precursori (gli acil-CoA e L-glicerolo 3-fosfato) mediante una serie di reazioni enzimatiche. Il glicerolo 3-fosfato può derivare dal diidrossiacetone fosfato prodotto nella glicolisi per azione p g p

della glicerolo 3-fosfato deidrogenasi NAD-dipendente localizzata nel citosol. Gli acil-CoA si formano dagli acidi grassi ad opera

d ll il C A i i l i h i li idi i

della acil-CoA sintetasi, lo stesso enzima che attiva gli acidi grassi per farli entrare nella β ossidazione.

La prima fase della biosintesi dei triacilgliceroli è l’acilazione dei due gruppi ossidrilici liberi di L-glicerolo 3-fosfato con due

molecole di acil CoA per generare diacilglicerolo 3 fosfato (acido molecole di acil-CoA per generare diacilglicerolo 3-fosfato (acido fosfatidico). Questo composto viene idrolizzato da una fosfatasi per formare 1,2-diacilglicerolo. I diacilgliceroli possono essere

p , g g p

convertiti in triacilgliceroli per transesterificazione con una terza molecola di acil-CoA.

La via biosintetica del La via biosintetica del fosfatidato

Il fosfatidato nella biosintesi lipidica

COLESTEROLO

t l iù bb d t li

sterolo più abbondante negli animali (membrana

plasmatica) anfifilico

molecola rigida

Presiede alla sintesi di ORMONI STEROIDEI e ORMONI STEROIDEI e Vitamina D

Biosintesi del Biosintesi del colesterolo

i l f t

avviene nel fegato (come gli acidi

grassi a catena grassi a catena

lunga) ma secondo un processo molto diverso.

I 27 atomi di carbonio

provengono

dall’unità acetile dell’acetil-CoA.

Biosintesi (semplificata) del COLESTEROLO ( 4 tappe) COLESTEROLO ( 4 tappe)

1. Tre unità acetiliche si condensano a formare il mevalonato , un intermedio a formare il mevalonato , un intermedio a 6 atomi di C

2. Il mevalonato viene convertito in unità isopreniche attivate ( a 5 atomi di C) 3. 6 unità isopreniche attivate vengono

polimerizzate per formare una struttura polimerizzate per formare una struttura lineare a 30 atomi di C, lo squalene

4. Lo squalene ciclizza e viene modificato 4. Lo squalene ciclizza e viene modificato

ulteriormente mediante complesse reazioni fino alla formazione del colesterolo (27 atomi di C)

colesterolo (27 atomi di C)

La sintesi di colesterolo viene sostanzialmente controllata a

li ll d ll’ i h i d ll i t i d l l t

livello dell’enzima che presiede alla sintesi del mevalonato.

La produzione non controllata di colesterolo può causare

l i i i d l di l l

malattie piuttosto gravi. Quando la somma di colesterolo

sintetizzato e colesterolo ottenuto dalla dieta supera la quantità necessaria l’accumulo patologico di colesterolo nei vasi

necessaria, l accumulo patologico di colesterolo nei vasi sanguigni può portare alla formazione nell’uomo di placche aterosclerotiche che possono anche ostruire i vasi sanguigni (e p g g ( si parla di aterosclerosi). I danni al cuore dovuti all’occlusione delle arterie coronarie sono una delle principali cause di morte

i i i d i li i nei paesi industrializzati.

Il colesterolo è utile a diversi livelli:

Il colesterolo è utile a diversi livelli:

È un importante componente delle membrane cellulari.

Vi i t ti t l f t d d i t t

Viene sintetizzato nel fegato da dove viene esportato sotto forma di acidi biliari oppure di esteri del

colesterolo.

colesterolo.

Qualche organo (come la corteccia surrenale e le gonadi) utilizza il colesterolo come precursore per la produzione utilizza il colesterolo come precursore per la produzione degli ormoni steroidei.

Il colesterolo è anche il prec rsore della itamina D Il colesterolo è anche il precursore della vitamina D

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI

LEHNINGER 4/E Zanichelli

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI

LEHNINGER 4/E Zanichelli

Regolazione della sintesi del

sintesi del colesterolo