Metabolismo dei lipidi

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1 Metabolismo dei lipidi 1

2 Funzione centrale dei lipidi nel metabolismo energetico 1)Assorbimento e trasporto degli acidi grassi 1) Ossidazione degli acidi grassi 2) sintesi degli acidi grassi e del colesterolo 2

3 Inserimento degli acidi grassi nel metabolismo 3

4 formule di struttura di alcuni acidi grassi C18 4

5 TRIACILGLICEROLI ( O TRIGLICERIDI) 5

6 I triacilgliceroli ( = grassi o trigliceridi) costituiscono il 90% circa dei lipidi della dieta e sono la principale forma di accumulo di energia metabolica negli esseri umani. 6

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8 STRUTTURA SCHEMATICA DI UN FOSFOLIPIDE L alcol può essere il glicerolo ( alcol a tre atomi di carbonio ), o etanolamina, colina, serina, inositolo. 8

9 Azione delle fosfolipasi (nei veleni di api e serpenti) potente detergente che distrugge le membrane cellulari 9

10 FOSFOLIPIDI DI MEMBRANA Sono sintetizzati nel reticolo endoplasmatico e distribuiti agli organelli cellulari da specifiche proteine PLEP Phospholipid Exchange Proteins, che hanno la funzione di introdurre o scambiare i fosfolipidi nelle membrane cellulari, che non possiedono il sistema enzimatico per la sintesi completa dei fosfolipidi e quindi devono acquistarli dal RE. Glicerol-fosfolipide

11 Glicerofosfolipidi (PtdEtn, PtdCho) C1= acidi grassi saturi C2= acidi grassi insaturi a catena lunga C3= teste polari (Etn, Cho) che vengono attivate prima di essere attaccate al lipide

12 Biosintesi della fosfatidiletanolammina e della fosfatidilcolina o lecitina. fosforilazione del gruppo OH della colina il gruppo fosfato della fosfoetanolammina o della fosfocolina attacca il CTP, formando i derivati del CDP (=esteri fosforici attivati del gruppo della testa polare) il gruppo C3 OH del diacilglicerolo attacca il gruppo fosforico della CDP-Etn o della CDP-Cho attivate, liberando CMP e formando il corrispondente glicerofosfolipide

13 Sia la fosfatidilcolina che la fosfotidiletanolmina possono reagire con la serina libera attraverso una reazione di scambio di base che porta alla formazione della fosfotidilserina da un lato della base libera, colina o etanolamina.

14 I Fosfolipidi funzionano come sostanze surfattanti LA DIPALMITOILFOSFATIDILCOLINA diminuisce la tensione superficiale del sottile strato acquoso nei polmoni la carenza di questa sostanza causa il collasso dei polmoni durante la fase dell espirazione

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18 I Plasmalogeni Sono una sottoclasse degli glicerofosolipidi Presentano un legame etere al C-1 del glicerolo Sono i lipidi più abbondanti nelle : membrane mitocondriali nel tessuto nervoso nel tessuto muscolare

19 un altra classe di lipidi di membrana Presentano come struttura centrale un ammino-alcol a catena lunga la sfingosina che si forma dalla serina più palmitato per condensazione e decarbossilazione ossidativa Derivati dall aminoalcol a 18 atomi di C La sfingosina n-acetilata forma la N-acil-sfingosina o ceramide Il ceramide è lo scheletro della sfingomielina (nella mielina che circonda e isola gli assoni) dei glicosfingolipidi (cerebrosidi e gangliosidi) 19

20 GLICOSFINGOLIPIDI -CEREBROSIDI: ceramidi la cui testa polare è costituita da un singolo residuo glucidico. -GANGLIOSIDI: ceramidi oligosaccaridi contenenti acido sialico Sintesi: 1) sintesi della sfingosina (palmitoil CoA + serina) 2)attacco di carboidrati sul gruppo OH del C1 della sfingosina (ceramide)

21 Biosintesi del ceramide reazione di condensazione PLP-dipendente: chetosfinganina reazione di riduzione: sfinganina trasferimento di un gruppo acile da un acil CoA alla sfinganina: acil-sfinganina ossidazione FAD dipendente: ceramide

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23 C E R A M I D E PtdCho dona il suo gruppo fosfocolina al ceramide UDP-glucosio dona il glucosio catene oligosaccaridiche sfingomielina (componente della guaina mielinica) cerebroside ganglioside

24 In tutti gli sfingolipidi: -il gruppo amminico è acilato -il gruppo ossidrilico terminale è sostituito acilato sostituito (oligosaccaridi legati al gruppo -OH terminale)

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26 I GANGLIOSIDI sono glicosfingolipidi complessi e costituiscono una frazione significativa dei lipidi del cervello. 26

27 Gangliosidi Sono glicolipidi identificati in alte concentrazioni nelle cellule dei gangli del sistema nervoso. In genere, nelle cellule del sistema nervoso, oltre il 50% dell acido sialico è presente sotto forma di Gangliosidi

28 La sigla GM identifica un ganglioside con un solo residuo di acido sialico. Il numero che segue alla sigla GM, per esmpio GM 1 si riferisce alla struttura dell oligosaccaride

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30 Il ganglioside G M1 contiene 5 monosaccaridi legati al ceramide 1 glucosio 2 di galattosio 1 N-acetil galattosammina 1 N-acetil neuramminato

31 Gangliosidi come recettori di agenti tossici. -un ganglioside specifico della mucosa intestinale media l azione dela tossina del colera, del tetano e di virus influenzali. Ruolo informazionale -nelle interazioni cellula-cellula, come elementi di riconoscimento sulla superficie cellulare.

32 La sindrome di sofferenza respiratoria e la malattia di Tay-Sachs sono causate da un alterazione del metabolismo dei lipidi.

33 Gli sfingolipidi vengono degradati nei lisosomi da una serie di reazioni idrolitiche mediate da enzimi. Un difetto ereditario in uno di questi enzimi determina una malattia da accumulo di sfingolipidi

34 Malattia di Tay-Sachs deficienza autosomica recessiva di esosamminidasi A accumulo nei neuroni di G M12 sotto forma di inclusioni simili a conchiglie i bambini nati con la malattia non mostrano anormalità fino ad 1 anno successivamente: ritardo mentale, cecità e morte all età di circa 3 anni un dosaggio sierologico identifica i potenziali portatori

35 Malattia di Gaucher accumulo di glucocerebroside nei tessuti, inizialmente nei lisosomi e successivamente in tutti i compartimenti cellulari ed extracellulari. a causa della mancanza dell enzima glucocerebrosidasi non può avvenire l idrolisi in glucosio e cerebroside

36 Idrolisi enzimatica dei legami glicosidici G M1 gangliosidosi Tay-Sachs Gaucher Tra gli organi coinvolti: cervello, fegato e milza Segno di riconoscimento: accumulo di lipidi nei lisosomi

37 Malattia di Gaucher Descrizione clinica Tipo 1 coinvolgimento scheletrico e presenza di macrofagi gonfi di lipidi nel midollo osseo aumento di fegato e milza assenza di sintomi neurologici Tipo 2 danno neurologico evidente entro i primi 2 anni di vita Tipo 3 insorgenza giovanile con problemi neurologici e scheletrici progressivi

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40 Digestione dei lipidi, assorbimento e trasporto 40

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42 1- Gli acidi biliari ( = Sali biliari) sono molecole anfipatiche. 2- Sono derivati del colesterolo. 3- FEGATO (sintesi) CISTIFELLEA (conservazione)) INTESTINO TENUE (secrezione) 42

43 Strutture dei principali acidi biliari e dei loro coniugati con la glicina e la taurina 43

44 Poiché i triacilgliceroli sono insolubili in acqua e gli enzimi digestivi sono solubili in acqua, la digestione dei triacilgliceroli avviene all interfaccia tra lipide e acqua Velocità di digestione dei triacilgliceroli: Movimenti peristaltici Azione emulsionante degli acidi biliari 44

45 La lipasi pancreatica: - catalizza l idrolisi dei TG nelle posizioni 1 e 3, formando 1,2-diacilgliceroli e 2-acilgliceroli -la sua attività aumenta quando essa è in contatto con l interfaccia lipide-acqua (ATTIVAZIONE PER INTERFACCIA) 45

46 Meccanismo di attivazione della triacilglicerolo lipasi Il legame all interfaccia lipide-acqua necessita della colipasi pancreatica complesso lipasi-colipasi coperto da un elica coperchio in assenza di micelle lipidiche esposizione del sito attivo 46

47 Anche altre lipasi catalizzano reazioni a livello delle interfacce Meccanismo di azione della fosfolipasi A2 che contiene un canale idrofobico. 47

48 La miscela di acidi grassi e di mono- e diacilgliceroli prodotti dalla digestione lipidica viene assorbita dalle cellule che rivestono l intestino tenue (= mucosa intestinale). 48

49 All interno delle cellule intestinali gli acidi grassi formano complessi con la proteina che lega gli acidi grassi intestinali (I-FABP) (aumento di solubilità e protezione dall effetto detergente) Palmitato I-FABP 49

50 Le principali lipoproteine del plasma hanno struttura globulare hanno 2 ruoli: solubilizzare i lipidi idrofobici trasportare segnali alle cellule (all interno, segregati dall ambiente acquoso) 50

51 Combinazioni diverse di lipidi e proteine generano particelle con differente densità: Ogni classe di lipoproteine ha una sua funzione specifica determinata dal suo sito di sintesi, dalla sua composizione in lipidi e apolipoproteine. 51

52 Impacchettati dentro le lipoproteine, trigliceridi ed esteri del colesterolo vengono trasportati ai tessuti: trigliceridi tess. adiposo (conservati) tess. muscolare (scheletrico e cardiaco) (ossidati) esteri del colesterolo dopo idrolisi: a tutte le cellule -costituente delle membrane -sintesi acidi biliari -sintesi ormoni steroidei 52

53 Gli acidi grassi assorbiti dalla mucosa intestinale vengono convertiti in triacilgliceroli e impacchettati nei chilomicroni attiva la lipoproteina lipasi nei capillari del tess. adiposo, del muscolo scheletrico, tess. della ghiandola mammaria La struttura molecolare dei chilomicroni 53

54 Poiché la utilizzazione di chilomicroni da parte dei vari tessuti richiede la preliminare idrolisi dei trigliceridi è la lipoproteina lipasi dei vari distretti tissutali che decide il loro destino. condizioni ipercaloriche lipoproteina lipasi del tess. adiposo condizioni di digiuno lipoproteina lipasi dei muscoli 54

55 clatrina 55

56 Ossidazione degli acidi grassi (nei mitocondri) 56

57 Attivazione degli acidi grassi (nel citosol) Acido grasso + CoA + ATP Acil-CoA + AMP + PPi Meccanismo di attivazione catalizzato dall acil CoA sintetasi 57

58 Trasporto attraverso la membrana mitocondriale Un acil-coa a catena lunga non può attraversare direttamente la membrana mitocondriale interna 58

59 OH (CH 3 ) 3 N-CH 2 -CH-CH 2 -COO - + O R-C-SCoA Carnitina palmitoil transferasi O R-C-O- (CH 3 ) 3 N-CH 2 -CH-CH 2 -COO - + H-SCoA Acil-carnitina 59

60 DEFICIT di CARNITINA TRANSFERASI O TRANSLOCASI I sintomi vanno da lievi crampi muscolari a debolezza di grado elevato e persino alla morte Il tessuto muscolare il rene e il cuore sono i tessuti principalmente interessati La debolezza muscolare durante un esercizio fisico prolungato è un importante caratteristca di una carenza di carnitina acil transferasi piochè il il tessuto muscolare fa affidamento sugli acidi grassi come sorgente di energia a lungo termine In questi pazienti gli acidi grassi a catena media ( C 8 -C 10 non richiedono la carnitina per entrare nei mitocondri, che quindi sono ossidati normalmente 60

61 β- ossidazione dell acil-coa 61

62 La β-ossidazione avviene mediante quattro reazioni: 1) Formazione di un doppio legame trans-α,β mediata dalla deidrogenazione catalizzata dal flavoenzima acil CoA deidrogenasi ETF rid ETF ubichinone ossidoreduttasi oss ETF oss ETF ubichinone ossidoreduttasi rid L acil CoA deidrogenasi è legata alla catena di trasporto degli elettroni ETF= flavoproteina che trasferisce gli elettroni 62

63 2) Idratazione del doppio legame da parte dell enoil- CoA idratasi i 63

64 3) Deidrogenazione dipendente da NAD + mediata dalla 3-L-idrossiacil-CoA deidrogenasi 64

65 4) Rottura del legame Cα-Cβ in una reazione di tiolisi in presenza di CoA catalizzata dalla β-chetoacil-coa tiolasi 65

66 L ossidazione degli acidi grassi è un processo altamente esoergonico Da ogni ciclo: 1 molecola di NADH 1 molecola di FADH2 Ossidazione del palmitoil CoA (C16): 1 acetil CoA (la sua ossidazione nel ciclo di Krebs produce: 1 FADH2 e 3 NADH) 7 cicli di ossidazione 7 FADH2, 7 NADH, 8 acetil CoA 8 acetil CoA 8 GTP, 24 NADH, 8 FADH2 TOTALE: 31 NADH, 15 FADH2 66

67 TOTALE: 31 NADH, 15 FADH2 Fosforilazione ossidativa TOTALE: 123 ATP + 93 ATP 30 ATP 8 GTP ATP Sottraendo i 2 ATP necessari alla sintesi dell acil-coa: L ossidazione di una molecola di palmitato porta ad una resa netta di 129 molecole di ATP 67

68 Metabolismo dei lipidi 68

69 OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI INSATURI (contengono doppi legami cis quasi sempre C9-C10) Problema 1: un doppio legame β,γ dopo il terzo ciclo di ossidazione il risultante enoil CoA contiene un doppio legame cis che non è substrato dell enoil CoA idratasi. Problema 2: al quinto ciclo di ossidazione la presenza di un doppio legame a livello di un atomo di C pari porta alla formazione di un 2,4 dienoil CoA che non è un buon substrato dell enoil CoA idratasi 69

70 Per degradare gli acidi grassi insaturi sono necessari soltanto due enzimi addizionali 70

71 doppio legame cis isomerasi doppio legame trans enoil idratasi idrossiacil CoA racemasi 71

72 Ossidazione degli acidi grassi a catena dispari si forma propionil CoA che viene convertito in succinil CoA Ciclo dell acido citrico 72

73 Il succinil CoA non viene direttamente consumato dal ciclo dell acido citrico ma viene prima convertito in piruvato e poi in acetil CoA 73

74 Il propionil CoA che proviene dall ossidazione degli cidi grassi a numero DISPARI di atomi di carbonio nonché da alcuni amminoacidi, viene convertito a succinil CoA un intermedio del ciclo di Krebs metil malonil CoA carbossilasi metil malonil CoA epimerasi metil malonil CoA mutasi La metil malonil CoA mutasi utilizza un gruppo prostetico 5 deossiadenosilcobalammina, un derivato della vitamina B12 74

75 Deficienza di vit. B12= anemia perniciosa -diminuizione del numero dei globuli rossi -deterioramento neurologico nell intestino, la glicoproteina fattore intrinseco (che viene secreta dallo stomaco) si lega specificamente alla vit.b12 e il complesso viene assorbito dalla mucosa intestinale mediante un recettore. Il complesso si dissocia e la vit.b12 è trasportata nel circolo sanguigno legata a proteine plasmatiche dette transcobalamine. Insufficiente secrezione di fattore intrinseco piuttosto che una deficienza nella dieta. 75

76 Gli acidi grassi vengono ossidati anche nei perossisomi ( fegato, rene, tessuto adiposo, muscolo cardiaco e scheletrico ) Questi organelli sono caratterizzati da elevate concentrazioni dell enzima catalasi La prima deidratazione richiede una flavoproteina deidrogenasi che trasferisce elettroni all O 2 per formare H 2 O 2 Gli acil-coa accorciati, dopo rilascio dai perossisomi, vengono trasformati in acilcarnitina ed accedono alla β ossidazione mitocondriale Gli acetil-coa vengono utilizzati per la sintesi degli acidi grassi o del colesterolo nel citoplasma 76

77 La ω-ossidazione avviene negli acidi grassi a media catena che vengono ossidati a livello del -CH3 ( ω ) terminale il processo è catalizzato da una monoossigenasi microsomiale che richiede O 2 NADPH (H + ) e il citocromo P450 che trasforma gli acidi grassi monocarbossilici in acidi grassi α,βbicarbossilici questi possono essere accorciati nel processo della β-ossidazione In alcune malattie congenite da deficienza di enzimi della β- ossidazione e nelle uirne di soggetti chetosici, si può riscontrare la presenza di questi acidi bicarbossilici: acidosi chetosica dicarbossilica 77

78 ACIDI GRASSI A CATENA RAMIFICATA è un processo ossidativo che richiede l azione combinata della α e della β-ossidazione interessa in particolare l acido fitanico che si forma nell organismo per ossidazione del fitolo componenete della clorofilla presente nelle verdure e nel latte bovino Il morbo di Refsum è un difetto genetico in cui è assente la monossiggenasi fitanato α-idrossilasi.l acido fitanico si accumula negli arti e nei tessuti soprattutto nel tessuto cerebrale, con perdita dell olfatto, emeralopia, sordità e sintomi neurologici ( tremori e atassia ). 78

79 79

80 Sintesi dei corpi chetonici (nei mitocondri epatici) 80

81 Corpi chetonici: carburanti metabolici alternativi per cuore, muscolo e, nel digiuno, per il cervello CERVELLO: durante il digiuno i corpi chetonici costituiscono un importante surrogato del glucosio. 81

82 Formazione dei corpi chetonici nello stato di digiuno l ossalacetato viene consumato per formare glucosio (via glucogenetica ) e quindi non è disponibile per la condensazione con l acetil CoA L acetil CoA viene deviato verso la formazione di acetoacetato e di D-3-idrossibutirrato L acetoacetato, il D-3-idrossibutirrato e l acetone sono i corpi chetonici 82

83 Chetogenesi riduzione decarbossilazione H O OH β-idrossibutirrato 3 acetone 83

84 Conversione metabolica dei corpi chetonici in acetil CoA reazione di attivazione dell acetoacetato 84

85 In alcuni tessuti i corpi chetonici sono un importante combustibile Sono una forma idrosolubile, trasportabile di unità acetile Le due molecole di acetile che si formano possono entrare nel ciclo dell acido citrico I corpi chetonici sono utilizzati prevalentemente dal muscolo e dalla corteccia renale. Il cervello si adatta ad usare l acetoacetato durante il digiuno e nello stato diabetico. 85

86 PATOLOGIE DA ELEVATA CONCENTRAZIONE DEI CORPI CHETONICI La più comune è la chetosi diabetica nei pazienti affetti da diabete mellito insulino-dipendente L assenza di insulina ha due importanti conseguenze biochimiche: 1. Il fegato non è in grado di assorbire il glucosio e di fornire ossalacetato per processare l acetil CoA derivato dagli acidi grassi 2. Il fegato produce grandi quantità di corpi chetonici, che sono acidi moderatamente forti che causano uno stato di acidosi di grado elevato 86

87 disponibilità di ossalacetato NADH/NAD+ 87

88 DA RICORDARE I grassi bruciano al fuoco dei carboidrati Il motivo sta nel fatto che l entrata dell acetil CoA (proveniente dall ossidazione degli acidi grassi) nel ciclo dell acido citrico, avviene soltanto se la degradazione dei grassi e quella dei carboidrati sono bilanciate in modo appropiato: l entrata dell acetil CoA nel ciclo dipende dalla disponibilità di ossalacetato per la formazione di citrato 88

89 IMPORTANTI ACIDI GRASSI Acido stearico 18:0 Acido oleico 18: 1 (9) Acido linoleico 18: 2 (9,12) Acido linolenico 18:3 (9,12,15) L acido linoleico è particolarmente importante poiché viene convertito, attraverso una serie di allungamenti e desaturazioni in acido arachidonico, un precursore della sintesi delle prostaglandine e altri eicosanoidi 89

90 Essi sono indispensabili: 1) per la produzione di energia 2) per la formazione delle membrane cellulari 3) per il trasferimento dell'ossigeno dall'aria al sangue 4) per la sintesi di emoglobina 5) per la funzione delle prostaglandine 6) per il corretto equilibrio ormonale 7) per la produzione ormonale (ad esempio del testosterone). La carenza di questi acidi produce astenia, pelle secca, deficit immunitario, ritardo della crescita, sterilità.

91 L organismo non riesce a produrre gli acidi grassi essenziali linoleico e linolenico. I grassi omega-3 si trovano nei pesci grassi, come il salmone, mentre quelli omega-6 in oli quali: l'olio di lino spremuto a freddo, l'olio di mais, di soia e di girasole. Gli acidi omega-3 aiutano persino a difendere il cervello dai disturbi da deficit di attenzione L acido arachidonico può essere sintetizzato dall acido linoleico se esso è fornito all organismo in quantità sufficiente dalla dieta.

92 Desaturazione dell acido linoleico NAPH(H) + NADP + 18:2(9, 12) acido linoleico O2 2H 2 O 2CO 2 18:3 (6,9,12) 20:3(8,11,14) ac.γ-linoleico O 2 NADPH(H) + L uomo è incapace di desaturare un acido monomerico nella porzione della catena compresa fra doppio legame ed estremità metilica (ω) per cui devono essere introdotti con la dieta e quindi sono essenziali: l'acido linoleico (un acido 6 omega) l'acido linolenico (un acido 3 omega). 2H 2 O NADP 20:4(5,8,11,14) ac.arachidonico L acido linoleico L acido linolenico 92

93 L ARACONOIDATO E IL PRINCIPALE PRECURSORE DEGLI ORMONI EICOSANOIDI ( prostaglandine, prostacicline, trombossani ) CORTICO- STEROIDI - - ciclo-ossigenasi - FANS L arachidinato può essere convertito in leucotrieni per azione della lipossigenasi Questi composti scoperti inizialmente nei leucociti, contengono tre doppi legami coniugati 93

94 Gli eicosanoidi derivano dall acido arachidonico Sono coinvolti nelle produzione di dolore e febbre, nella regolazione della pressione sanguigna, della coagulazione del sangue e della riproduzione L aspirina inibisce la sintesi delle prostaglandine 94

95 Confronto tra β-ossidazione e biosintesi degli acidi grassi 95

96 Riassunto schematico del metabolismo lipidico

97 2 Siti di regolazione del metabolismo degli acidi grassi Il malonil CoA inibisce il trasportatore carnitina transferasi. 6 Il rapporto glucagone/insulina determina la velocità e la direzione del metabolismo degli acidi grassi 1

98 REGOLAZIONE GLOBALE La sintesi e la degradazione degli acidi grassi sono regolate reciprocamente Il malonil CoA inibisce la carnitina acil transferasi I impedendo l accesso degli acil CoA alla matrice mitocondriale nei momenti di abbondanza Nello stato di digiuno la concentrazione degli acidi grassi liberi aumenta poiché ormoni quali l adrenalina e il glucagone stimolano la lipasi delle cellule adipose 1 98

99 Nel controllo a lungo termine si ha la modulazione della sintesi degli enzimi coinvolti nella sintesi degli acidi grassi: Citrato liasi,enzima malico,l acetil-coa carbossilasi, l acido grassi sintasi Il contenuto epatico di questi enzimi, che hanno tutti una breve emivita diminuisce a digiuno e nel diabete insulino privo, aumenta in seguito a somministrazione di glucosio e insulina con: aumento dei glucidi conversione dei glucidi in lipidi Stimola la biosintesi degli enzimi della lipogenesi 2 99

100 Il controllo dell equilibrio energetico, e quindi dell adiposità, è attuato attraverso l integrazione di diversi fattori: fattori genetici fattori ambientali

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