Metabolismo lipidico, normale e patologico

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1 Metabolismo lipidico, normale e patologico

2 I lipidi sono sostanze insolubili in acqua e solubili in solventi organici (etere, alcool, ecc) Da un punto di vista chimico, sono composti da un gruppo estremamente eterogeneo di molecole (acidi grassi liberi, trigliceridi, fosfolipidi, steroidi, vitamine liposolubili, carotenoidi, ecc), con una varietà strutturale dunque superiore rispetto ad altre macromolecole biologiche Tre delle maggiori funzioni dei lipidi sono: 1. Forma di deposito di energia nel corpo (resa calorica maggiore dei carboidrati) 2. Componenti strutturali delle membrane cellulari 3. Messaggeri intracellulari Lipidi come principali fattori di rischio dell aterosclerosi

3 LIPIDI Acidi grassi Composti acidi monocarbossilici alifatici: a catena corta, media o lunga saturi o insaturi (mono o poli) Composti anfipatici Gli acidi grassi liberi, indicati anche NEFA (dall'inglese Not Esterified Fatty acid, acidi grassi non esterificati), rappresentano la frazione circolante e di riserva energetica di lipidi dell'organismo, che possono essere facilmente captati e metabolizzati da fegato e muscoli. Per la loro insolubilità, necessitano di proteine sieriche (albumina) per circolare nel sangue.

4 LIPIDI Trigliceridi L idrolisi dei trigliceridi ad acidi Esteri del glicerolo con 3 acidi grassi, saturi o insaturi grassi e glicerolo è catalizzata dagli enzimi lipasi. L ossidazione completa dei grassi produce circa 9 kcal/g rispetto alle 4 kcal/g dei carboidrati e proteine. Fosfolipidi MOLECOLE ANFIPATICHE

5 LIPIDI Gli steroidi sono composti con funzioni molto diverse tra loro e struttura di ciclopentanoperidrofenantrene costituita da un sistema di anelli fusi contenente tre anelli a 6 atomi ed un anello a 5 atomi. Lo steroide di maggiore interesse è il colesterolo, molecola altamente idrofobica in cui l unico gruppo idrofilo è il gruppo ossidrilico in posizione 3. Il colesterolo è molto diffuso nelle membrane biologiche animali mentre non è presente nelle membrane delle cellule procariotiche.

6 LIPIDI Colesterolo Dopo la biosintesi: Una piccola parte del colesterolo viene incorporato nelle membrane cellulari Una gran parte viene esportato come: Esteri del colesterolo Sali biliari Esteri del colesterolo Sono sintetizzati nel fegato per azione di acil-coa-colesterolo aciltransferasi (ACAT) Sono conservati nel fegato oppure sono trasportati ai tessuti extraepatici dalle VLDL, e quindi dalle LDL

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8 A causa di scarsa o nulla solubilità nel plasma (mezzo acquoso), i lipidi hanno bisogno di ancorarsi a proteine per poter circolare nel sangue: Formazione di LIPOPROTEINE Particelle complesse, ad alto peso molecolare, CON STRUTTURA GLOBULARE, che trasportano lipidi apolari (soprattutto trigliceridi ed esteri del colesterolo) e proteine definite APOLIPOPROTEINE. Presentano un core in cui sono collocati lipidi idrofobici (trigliceridi ed esteri del colesterolo) ed una superficie polare, formata da fosfolipidi e colesterolo non esterificato, ed in cui sono esposte le regioni idrofiliche delle apolipoproteine, che consente alle lipoproteine nel loro complesso di essere solubili nel plasma.

9 Le lipoproteine si classificano: in base alla migrazione elettroforetica, in -lipoproteine (HDL), pre- -lipoproteine (VLDL), -lipoproteine (LDL) e chilomicroni; in base alla densità crescente, in chilomicroni, VLDL, IDL, LDL, e HDL

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18 Vie esogena ed endogena del metabolismo lipidico Il metabolismo delle lipoproteine si può immaginare come suddiviso in due cicli, uno esogeno ed uno endogeno, interconnessi tramite il fegato. Lipidi esogeni Lipidi esogeni ed endogeni

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20 Ciclo esogeno 1. I trigliceridi, il colesterolo ed altri lipidi assunti con la dieta sono assorbiti e trasportati al di fuori dell intestino sotto forma di grandi CHILOMICRONI, il cui diametro varia da 180 a 500 nm, la cui densità è < 0,96 g/cm 3, in quanto costituiti per la maggior parte da trigliceridi. La principale apolipoproteina nei chilomicroni è la B-48 (Apo B-48, 240 kda); 2. I chilomicroni vengono secreti nella linfa e raggiungono il circolo sanguigno tramite il dotto toracico; 3. In circolo, i trigliceridi vengono rimossi gradualmente ad opera dell enzima LIPOPROTEINA LIPASI (LPL), presente nei capillari di numerosi tessuti, soprattutto di quello adiposo e nel muscolo scheletrico. Vengono così scissi, nei muscoli, in acidi grassi liberi e monogliceridi, e negli adipociti vengono depositati nuovamente proprio come trigliceridi o utilizzati per la produzione di energia (β-ossidazione);

21 4. Persa la maggior parte dei trigliceridi (chilomicroni remnants, residui, CMR), essi diventano più piccoli e più ricchi di colesterolo, e vengono captati dal fegato, grazie ad uno specifico recettore di membrana che riconosce Apo E (LRP), e degradati a livello lisosomiale; 5. Il colesterolo può andare incontro a diversi destini: essere escreto nella bile come tale o dopo trasformazione in acidi; il c. biliare giunto nell intestino può essere riassorbito dagli enterociti per poi tornare al fegato attraverso il cosiddetto circolo enteroepatico; infine, può essere distribuito agli altri tessuti dell organismo, trasportato da lipoproteine di origine epatica (VLDL).

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23 Ciclo endogeno I trigliceridi ed il colesterolo sintetizzati nel fegato o provenienti dal ciclo esogeno vengono esportati nel sangue sotto forma di VLDL (very low density lipoproteins, d < 1,006 g/cm 3 ), le cui apolipoproteine più importanti sono Apo B-100 (513 kda), Apo E e Apo C-II; Le VLDL vanno incontro allo stesso processo di distacco dei lipidi subito dai chilomicroni, per azione sempre della LPL presente sulla superficie dei capillari (processo che rifornisce di acidi grassi il tessuto adiposo). Ciò porta alla formazione di lipoproteine a densità intermedia (IDL, intermediate density lipoproteins, 1,006 < d < 1,019 g/cm 3 ), ricche in colesterolo esterificato: il 25% viene ricaptato dal fegato, ad opera dei recettori per le LDL, la quota rimanente va incontro ad ulteriore perdita di trigliceridi, con formazione di LDL (low density lipoproteins, 1,019 < d < 1,063 g/cm 3 ), ancora più arricchite di colesterolo esterificato endogeno;

24 Le LDL, principali trasportatori di colesterolo nel sangue, hanno un diametro di 22 nm, una massa di circa 3 milioni di Dalton e contengono un nucleo composto da circa 1500 molecole di colesterolo esterificato (circondato da un involucro di fosfolipidi, colesterolo libero ed un unica copia di Apo B-100, che riveste un ruolo essenziale nel riconoscimento delle LDL da parte di specifici recettori localizzati sulle membrane di cellule epatiche ed extraepatiche); Il ruolo delle LDL è quello di trasportare il colesterolo ai tessuti periferici e di regolare la sintesi de novo del colesterolo in questi siti. Anche il fegato possiede recettori per le LDL: il colesterolo delle LDL captate dagli epatociti viene usato per la formazione di acidi biliari e per la secrezione di colesterolo libero nella bile.

25 Recettore LDL L Apo B-100 sulle LDL si lega ai suoi recettori specifici su cellule, principalmente non epatiche; tali glicoproteine sono localizzate in regioni specializzate chiamate cavità rivestite (coated pits), che contengono clatrina. Il complesso LDL/recettore è internalizzato per endocitosi, formando vescicole; Tali vescicole si fondono con i lisosomi (contenenti enzimi degradativi); Il colesterolo libero, che deriva dall idrolisi del colesterolo esterificato ad opera di lipasi lisosomiali, è utilizzato per la sintesi di membrane o come precursore di ormoni steroidei; Il colesterolo libero in eccesso è depositato a livello intracellulare in forma esterificata grazie all enzima ACAT (acil-coa:colesterolo aciltransferasi).

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27 Quando la cellula ha colesterolo a sufficienza, la sintesi di tali recettori è downregolata; quando, invece, è a corto di colesterolo, il numero di recettori aumenta.

28 Il malfunzionamento o l assenza del recettore su base ereditaria è responsabile dell ipercolesterolemia familiare (FH); una mutazione specifica dell Apo B-100 ha come conseguenza un alterazione del legame delle LDL al recettore: ciò produce un quadro clinico identico alla FH, chiamato deficit familiare di Apo B (FDB).

29 Circa 2/3 delle LDL circolanti sono rimosse dal plasma con tale meccanismo recettoriale; la parte rimanente è captata da cellule macrofagiche del SRE, attraverso recettori scavenger, che intercettano soprattutto LDL modificate (per ossidazione, glicosilazione, ecc). Tale sistema è determinante per allontanare dal circolo LDL degradate o modificate, quando raggiungono concentrazioni plasmatiche eccessive: non possiede, quindi, il compito di rifornire i tessuti periferici di colesterolo. Tale meccanismo è fondamentale per la comprensione della genesi delle placche ateromatose: i macrofagi che fagocitano le LDL modificate tramite i recettori scavenger si trasformano in cellule schiumose (foam cells), che sono una componente cellulare caratteristica delle lesioni aterosclerotiche iniziali.

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32 HDL - Trasporto inverso del colesterolo Le cellule periferiche, come tutte le cellule non intestinali o non epatiche, non sono in grado di degradare il colesterolo in eccesso; perciò, per il mantenimento dell'omeostasi cellulare, è essenziale la presenza di un meccanismo dedicato alla rimozione del colesterolo dalle cellule. Questo meccanismo, finalizzato al recupero epatico del colesterolo periferico in eccesso, è detto "trasporto inverso del colesterolo" (RCT: reverse cholesterol transport), ed avviene attraverso l incorporazione del colesterolo nelle lipoproteine HDL (High density lipoproteins, 1,063 < d < 1,21 g/cm 3, le cui apolipoproteine più importanti sono ApoA-1 e ApoA-II), ed il successivo trasporto al fegato per l'escrezione biliare. Raccolgono il colesterolo rilasciato nel plasma da cellule in disfacimento e dal turnover delle membrane; si formano a partire da precursori (pre-β-hdl), secreti sia dal fegato che dall intestino.

33 Una volta incorporato nelle pre-β-hdl, il colesterolo è esterificato da un aciltransferasi (LCAT, lecitin-colesterolo aciltransferasi), utilizzando Apo A-I come cofattore e trasformando le pre-β-hdl nella loro forma matura, pronte per essere trasportate al fegato, seguendo due vie distinte. In un primo caso, le HDL ricche in colesterolo esterificato cedono questo lipide alle lipoproteine ricche in trigliceridi (VLDL, LDL), attraverso l attività di proteine trasportatrici (ad es CETP, cholesteryl ester transfer protein), che poi vengono intercettate dal fegato mediante specifici recettori (LDL-R) e rimosse dalla circolazione (rimozione indiretta del colesterolo esterificato)(svuotandosi di colesterolo, le HDL accettano in cambio trigliceridi). Una seconda via prevede che il colesterolo esterificato può essere rimosso dalle HDL proprio a livello epatico, grazie a specifici meccanismi recettoriali (SR-B1), che consentono di svuotare le HDL dal loro contenuto e rigenerare nuove pre-β-hdl, senza internalizzare la particella lipoproteica.

34 Questo processo è ritenuto ANTI-ATEROGENO, ed un alto rapporto HDL/colesterolo conferisce all individuo un rischio ridotto di malattie coronariche

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36 Malattie collegate alle alterazioni del metabolismo dei lipidi Il termine di ARTERIOSCLEROSI (da non confondere con aterosclerosi) comprende tutte le patologie con indurimento (sclerosi significa letteralmente indurimento ) delle arterie di ogni calibro. L'arteriosclerosi comprende tre patologie principali: aterosclerosi propriamente detta arteriolosclerosi (le cui forme principali sono legate a ipertensione e diabete) sclerosi calcifica mediale di Mönckeberg

37 Aterosclerosi: patologia degenerativa, importante causa di malattia e morte nei paesi occidentali, che comporta la presenza di ateromi nelle arterie di grande e medio calibro, ovvero di placche la cui componente specifica è costituita da accumuli lipidici, che aumentano nel tempo, e che conducono al restringimento del lume vascolare (stenosi) o di fenomeni tromboembolici, che si verificano quando la placca si stacca. La sindrome metabolica è il principale fattore predisponente.

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39 Fisiopatologia della Placca Ateromasica Ateroma: la genesi e lo sviluppo La lesione elementare dell'aterosclerosi si chiama ateroma: massa o placca di intima arteriosa degenerata ed ispessita che si ritrova nell aterosclerosi

40 L ateroma è una lesione che inizia nella tonaca intima: si presenta essenzialmente con una proliferazione di cellule muscolari lisce e accumulo di lipidi Gli ateromi si trovano sparsi nella parete delle arterie di grande e medio calibro (vasi ad alta pressione) La localizzazione degli ateromi varia da soggetto a soggetto ma statisticamente sono privilegiate alcune sedi caratterizzate da flusso vorticoso: ad es.: la esse della carotide interna, le biforcazioni La distribuzione casuale delle lesioni lascia intendere che lo stabilirsi di un ateroma è un fenomeno statistico, tutto sommato piuttosto raro, fenomeno tuttavia persistente per anni e che quindi diventa:certo per presenza, incerto per localizzazione La presenza di fattori di rischio aumenta la probabilità che un ateroma si formi e ne accelera la crescita, nonché favorisce l'insorgere di complicanze clinicamente significative

41 Una iniziale degenerazione delle cellule endoteliali arteriali comporta l'aumentata aderenza di Monociti e di T-Linfociti, nei confronti dell'area affetta. I sotto prodotti proteici di monociti e linfociti (citochine) mediano il processo aterogenico, attirando cellule fagocitarie verso l'area affetta. Parallelamente a ciò, l'esposizione ad elevati livelli sierici di LDL e la loro susseguente deposizione ed ossidazione incrementa ulteriormente il processo infiammatorio in corso. L incrementato uptake di LDL da parte delle cellule fagocitarie giustifica il nome di "Foam Cells" (cellule schiumose) dato il loro alterato contenuto lipidico.

42 Presenza di un CORE LIPIDICO formato da cellule schiumose morte e lisate, depositi di grasso e materiale fibroso. Il core risulta delimitato da una capsula formata da materiale fibroso (prodotto dalle cellule muscolari lisce che hanno internalizzato le OxLDL) e da cellule muscolari lisce che possono anch esse essere cariche di lipidi. Il materiale lipidico che viene a depositarsi, prende il nome di Placca Ateromatosa.

43 In particolari condizioni (ipertensione, fumo, stress, diabete) si assiste all ossidazione delle LDL che penetrano attraverso l endotelio Le LDL ossidate mediano una risposta di tipo infiammatorio da parte dell endotelio Monocita, macrofago, cellula schiumosa (foam cell)

44 Stria lipidica Migrazione delle cellule muscolari Lesione fibroadiposa (fibroateroma) Migrazione delle cellule muscolari lisce Aumento del collagene Aggregazione e adesione piastrinica Migrazione delle cellule muscolari lisce Aumento del collagene

45 Dosaggio di lipidi nel sangue Fornire al medico, in tempi brevi, informazioni sui valori di concentrazione dei principali lipidi plasmatici, ai fini di un orientamento diagnostico e di eventuali opzioni terapeutiche. Importanza dell ispezione visiva del siero (o del plasma), dopo una notte a 4 C (classificazione di Fredrickson). I valori di riferimento sono tutti variabili in funzione dell età e del sesso. Colesterolo plasmatico totale Valori di riferimento: Adulti < 200 mg/dl Bambini <180 mg/dl A digiuno per 12 ore Usati metodi enzimatici/colorimetrici:

46 Gli esteri del colesterolo vengono scissi dalla colesterasi in colesterolo libero; quest ultimo è ossidato da un enzima specifico: Colesterol o O colesterol o ossidasi 4 2 Δ - colestenone H2O2 Viene misurata l acqua ossigenata che si forma o l ossigeno che si consuma. Si può anche utilizzare un ulteriore procedura colorimetrica:

47 Colesterolo HDL Valori di riferimento: Uomini > 40 mg/dl Donne > 45 mg/dl A digiuno per 12 ore Ottenuto previa precipitazione, mediante aggiunta di polianioni e cationi bivalenti al siero (eparina, solfato di destrano, fosfotungstato e Ca 2+, Mg 2+, Mn 2+ ) delle lipoproteine contenenti Apo-B (VLDL, LDL), mentre nel surnatante rimane la frazione HDL, determinata con i metodi per la misura del colesterolo totale. Oggi, in realtà, si usano metodi diretti senza fare uso della precipitazione delle lipoproteine. Elevati livelli di HDL sono considerati, sulla base di numerosi studi epidemiologici, PROTETTIVI per quanto attiene al rischio di aterosclerosi.

48 Colesterolo totale/colesterolo nelle HDL Viene considerato, dal punto di vista clinico, un parametro molto utile: deve essere, se possibile, <5 (<4.5 per le donne). Il rischio di malattia coronarica è tanto più elevato quanto più alto è tale rapporto (> 7). Colesterolo LDL Valori di riferimento: compresi tra 100 e 160 mg/dl A digiuno per 12 ore Avendo a disposizione i valori di colesterolo totale, colesterolo HDL e trigliceridi, la concentrazione delle LDL può essere dedotta usando la formula di Friedewald: Colesterolo LDL = Colesterolo Totale - Colesterolo HDL - Trigliceridi/5 (VLDL)

49 Trigliceridi plasmatici Valori di riferimento: compresi tra 150 e 200 mg/dl A digiuno per 12 ore In genere si dosa il glicerolo liberato dopo idrolisi dei legami esterei con gli acidi grassi: Trigliceri di 3H Glicerolo ATP 2 O lipasi glicerolchinasi Glicerolo - 3- fosfato O Glicerolo Acidi grassi Glicerolo - 3- fosfato ADP glicerolofosfato ossidasi 2 diidrossiacetone fosfato H 2 O 2 Viene dosata, tramite una perossidasi, l acqua ossigenata che si forma.

50 Apolipoproteine plasmatiche Valori di riferimento: Apo AI mg/dl Apo B mg/dl Determinate per la valutazione del numero delle particelle lipoproteiche corrispondenti alle lipoproteine della via endogena (ApoB) o alle HDL (Apo AI); Le apolipoproteine possono essere dosate con l immunodiffusione radiale, con metodi nefelometrici.

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55 LE DISLIPIDEMIE Con il termine dislipidemia o iperlipoproteinemia si intende l'alterazione della quantità di grassi o lipidi normalmente presenti nel sangue. Ci sono: forme ereditarie, che si manifestano indipendentemente da fattori esterni; forme più comuni, nelle quali le malattia si manifesta solo in concomitanza a fattori esterni, come l'eccessiva assunzione di grassi dalla dieta; dislipidemie secondarie, come complicanze di altre patologie. Come regola generale, si parla di iperlipoproteinemia quando il colesterolo plasmatico è superiore a mg/dl e quando i trigliceridi sono superiori a 200 mg/dl.

56 La classificazione delle iperlipidemie si è andata modificando nel tempo in rapporto anzitutto alla disponibilità di alcune tecniche per il dosaggio dei lipidi e delle lipoproteine plasmatiche. Fino agli anni 50 veniva misurata nel plasma solo la concentrazione del colesterolo; a partire dagli anni '60 divenne pratica comune anche per il dosaggio dei trigliceridi; si diffuse nel contempo l'uso dell'elettroforesi delle lipoproteine e successivamente sono stati introdotti dei metodi semplici per il dosaggio del colesterolo delle HDL Una prima classificazione delle iperlipidemie distingueva tre gruppi: le ipercolesterolemie le ipertrigliceridemie le iperlipidemie combinate (e cioè l'ipercolesterolemia con ipertrigliceridemia)

57 Con l impiego dell'elettroforesi e il riconoscimento del ruolo fondamentale delle lipoproteine plasmatiche, si fece quindi una distinzione tra l'ipertrigliceridemia esogena (da chilomicroni) e l'ipertrigliceridemia endogena (da pre-β lipoproteine). Si venne cioè diffondendo il concetto che la classificazione delle iperlipidemie era in realtà una classificazione delle iperlipoproteinemie, spostando così l'accento dai lipidi come tali alle lipoproteine che contengono questi lipidi.

58 Si è anche tentata una classificazione su base genetica, che diventa sempre più complicata man mano che vengono scoperte altre mutazioni:

59 L ipercolesterolemia familiare (FH), che può presentarsi con xantelasma, xantomi tendinei, grave ipercolesterolemia e malattie cardiache coronariche precoci, può essere dovuta ad una qualsiasi tra le oltre 500 mutazioni diverse del gene per il recettore delle LDL. Mutazioni di Apo-B100 danno una sindrome identica.

60 L iperchilomicronemia familiare (ipertrigliceridemia esogena), che può presentarsi con dolori addominali ricorrenti e pancreatite acuta, può essere dovuta a mutazioni genetiche della lipoproteina lipasi (LPL) o dei geni di Apo C-II; caratteristici sono xantomi eruttivi:

61 Finché la terapia genica e/o le terapie specifiche di sostituzione non diventeranno disponibili, le classificazioni genetiche, se dal punto di vista biologico sono molto esplicative, hanno scarsa utilità nella pratica clinica. A tal proposito, i disordini delle lipoproteine sono semplicisticamente classificati come: di tipo PRIMARIO, quando il disordine non è dovuto ad altra patologia; di tipo SECONDARIO, quando il disordine è una manifestazione di un altra malattia Tipo PRIMARIO Per le iperlipidemie primarie ci si riferisce solitamente alla classificazione di Fredrickson (o dell Organizzazione Mondiale di Sanità, WHO), basata su evidenze ottenute dall analisi del plasma piuttosto che da analisi genetiche:

62 Pazienti che pur avendo lo stesso difetto genetico possono ricadere all interno di gruppi diversi, o possono cambiare gruppo con il progredire della malattia o del trattamento Iperlipoproteinemie sono state classificate IN BASE AD UNA FENOTIPIZZAZIONE in 6 classi che permettono di caratterizzare il tipo di lipoproteina in eccesso Classificazione secondo Fredrickson La classificazione di Fredrickson è basata su evidenze ottenute dall analisi del siero (limpido, opalescente, torbido, o nei casi di maggior contenuto in lipoproteine ricche in trigliceridi, addirittura lattescente).

63 Refrigerator test Nelle iperlipidemie di tipo I e V il siero lasciato a riposo per 24 ore ad una temperatura di 4 C presenta uno strato cremoso superficiale dovuto all affioramento dei chilomicroni.

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65 Il vantaggio principale di tale classificazione sta nel fatto che è largamente riconosciuta e fornisce delle guide per le cure. I sei tipi di iperlipoproteinemia elencate non hanno tutte la stessa frequenza: i tipi I e V sono rari, mentre i tipi IIa, IIb e IV sono molto comuni; quella di tipo III, nota come disbetaliproteinemia familiare o malattia della banda larga, ha una frequenza intermedia, pari a 1/5000 nella popolazione.

66 Tipo SECONDARIO L iperlipoproteinemia secondaria è una caratteristica ben nota di un certo numero di malattie: