I Nutrienti. I grassi. Prof. Giorgio Sartor. L04 - Versione 1.3 oct Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved.

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1 Prof. Giorgio artor I utrienti I grassi Copyright by Giorgio artor. All rights reserved. L04 - Versione 1.3 oct 2011 V.1.3 gsartor L04 - I grassi - 2-1

2 Metabolismo dei grassi I grassi sono fra le principali fonti di energia metabolica Grassi Proteine Glicogeno (fegato) Glicogeno (muscolo) Glucosio Energia (kjmole -1 ) V.1.3 gsartor L04 - I grassi I grassi (esteri del glicerolo) C1 C 3 C2 C3 + 3 C C 3 C3 C 3 C 3 2 C C 2 R P C 3 C 3 Trigliceridi (TAG) Fosfolipidi Lisofosfolipidi + 3 C C 3 C3 P C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi - 4-2

3 I grassi (esteri della sfingosina) C 3 2 C 3 C 3 fingosina Ceramidi fingomielina P C 3 C C C 3 3 C V.1.3 gsartor L04 - I grassi Colesterolo 3 C 3 C C 3 3 C C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi - 6-3

4 ello spazio! V.1.3 gsartor L04 - I grassi Bilayer I fosfolipidi formano bilayers. Liposomi: V.1.3 gsartor L04 - I grassi - 8-4

5 Le cellule hanno membrane lipidiche! V.1.3 gsartor L04 - I grassi -9- Digestione dei lipidi e trasporto A causa dell insolubilità in acqua dei lipidi la loro digestione ed il trasporto sono un problema chimico. Gli enzimi che agiscono sui lipidi sono enzimi solubili o di membrana che agiscono all interfaccia acqua particella lipidica. I lipidi ed i prodotti di digestione (insolubili o poco solubili in acqua) devono essere trasportati attraverso compartimenti acquosi all interno di cellule e tessuti per essere metabolizzati. V.1.3 gsartor L04 - I grassi

6 Detergenti L accessibilità dei legami esterei dei TAG è favorita dalla presenza di sali di acili biliari che funzionano come emulsionanti: 3 C C 3 Acido colico (colato) C 3 C 3 EI MAMMIFERI R R Acido taurocolico Acido glicocolico V.1.3 gsartor L04 - I grassi Acidi biliari in ambiente marino R" C 3 R' R' = Ac R" = A C 3 R' = R" = A R' = R" = B C 3 C 3 R R = A R = B Derivati dell acido 3-oxo-col-4-en- 24-oico e 3-oxo-col-1,4-dien-24- oico A 3 C B 3 C * * ew 3-xo-chol-4-en-24-oic Acids from the Marine oft Coral Eleutherobia sp. arah C. Lievens, a kon ope, and Tadeusz F. Molinski* J. at. Prod. 2004, 67, V.1.3 gsartor L04 - I grassi

7 Lipasi Catalizza l idrolisi dei triacilgliceroli in posizione 1 e 3 formando 1,2-diacilgliceroli, 2-acilglicerolo e quindi glicerolo C1 C2 C3 C 3 C 3 2 C 3 C 3 2 C 3 C 3 C 3 2 C 3 C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Lipolisi: meccanismo generale R' R" R' u+ R" R u: R R' + R" R' u R" R u: 2 R V.1.3 gsartor L04 - I grassi

8 Triacilglicerololipasi (EC ) 1LBT V.1.3 gsartor L04 - I grassi Triacilglicerololipasi (EC ) 1LBT V.1.3 gsartor L04 - I grassi

9 Lipasi (EC ) Triade catalitica er is Asp 1CUA V.1.3 gsartor L04 - I grassi Lipasi come antidoto! Alcune alghe della famiglia Caulerpaceae (Caulerpa prolifera, C. taxifolia e C. racemosa) producono caulerpenina, un metabolita tossico (sesquiterpene) in grado di funzionare come deterrente chimico nei confronti di molluschi marini che vivono nella comunità algale. Una mollusco (xynoe olivacea) riesce a rendere inoffensivo il terpene attraverso una lipasi. Lipase-mediated production of defensive toxins in the marine mollusc xynoe olivacea Adele Cutignano, Valentina otti, Giuliana d Ippolito, Anna Domènech Coll, Guido Cimino and Angelo Fontana* rg.biomol.chem.,2004,2, V.1.3 gsartor L04 - I grassi

10 Lipasi come antidoto! Alcune alghe della famiglia Caulerpaceae (Caulerpa prolifera, C. taxifolia e C. racemosa) producono caulerpenina, un metabolita tossico (sequiterpene) in grado di funzionare come deterrente chimico nei confronti di molluschi marini che vivono nella comunità algale. Una mollusco (xynoe olivacea) riesce a rendere inoffensivo, per sé, il terpene attraverso una lipasi. Lipase-mediated production of defensive toxins in the marine mollusc xynoe olivacea Adele Cutignano, Valentina otti, Giuliana d Ippolito, Anna Domènech Coll, Guido Cimino and Angelo Fontana* rg.biomol.chem.,2004,2, V.1.3 gsartor L04 - I grassi Lipasi come antidoto! Alcune alghe della famiglia Caulerpaceae (Caulerpa prolifera, C. taxifolia e C. racemosa) producono caulerpenina, un metabolita tossico (sequiterpene) in grado di funzionare come deterrente chimico nei confronti di molluschi marini che vivono nella comunità algale. Una mollusco (xynoe olivacea) riesce a rendere inoffensivo, per sé, il terpene attraverso una lipasi. Lipase-mediated production of defensive toxins in the marine mollusc xynoe olivacea Adele Cutignano, Valentina otti, Giuliana d Ippolito, Anna Domènech Coll, Guido Cimino and Angelo Fontana* rg.biomol.chem.,2004,2, V.1.3 gsartor L04 - I grassi

11 Lipasi come antidoto! Alcune alghe della famiglia Caulerpaceae (Caulerpa prolifera, C. taxifolia e C. racemosa) producono caulerpenina, un metabolita tossico (sequiterpene) in grado di funzionare come deterrente chimico nei confronti di molluschi marini che vivono nella comunità algale. Una mollusco (xynoe olivacea) riesce a rendere inoffensivo, per sé, il terpene attraverso una lipasi. TIE PER LA DIFEA DAI PREDATRI V.1.3 gsartor L04 - I grassi Meccanismo Lipase-mediated production of defensive toxins in the marine mollusc xynoe olivacea Adele Cutignano, Valentina otti, Giuliana d Ippolito, Anna Domènech Coll, Guido Cimino and Angelo Fontana* rg.biomol.chem.,2004,2, V.1.3 gsartor L04 - I grassi

12 Meccanismo Lipase-mediated production of defensive toxins in the marine mollusc xynoe olivacea Adele Cutignano, Valentina otti, Giuliana d Ippolito, Anna Domènech Coll, Guido Cimino and Angelo Fontana* rg.biomol.chem.,2004,2, V.1.3 gsartor L04 - I grassi Fosfolipasi C 3 PLD + C 3 C 3 P PLC PLA 2 C 3 C 3 PLA 1 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

13 Fosfolipasi Fosfolipasi A 1 EC Fosfolipasi A 2 EC Fosfolipasi C EC Fosfolipasi D EC Lipasi EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi Fosfolipasi A 1 (EC ) C 3 + C 3 C 3 P C 3 C 3 C 3 3 C + C 3 C 3 P C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

14 Fosfolipasi A 1 Ca ++ AP I V.1.3 gsartor L04 - I grassi QD6 Meccanismo (diade catalitica) is48 Asp99 Ca++ R' R" is48 Ca++ R" is48 Ca++ Asp99 R' Asp99 R' R" V.1.3 gsartor L04 - I grassi

15 Fosfolipasi A 2 (EC EC ) C 3 + C 3 C 3 P C 3 C 3 C 3 3 C + C 3 P C 3 C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Fosfolipasi A 2 Il lisofosfolipide è un detergente potentissimo, La fosfolipasi A 2 è contenuta nel veleno di serpenti (cobra), insetti (api), probabilmente anche in invertebrati marini (spugne), l effetto è quello di lisare i globuli rossi attraverso l effetto della lisofosfatidilcolina ei mammiferi è secreta dal pancreas e una piccola quantità di lecitina viene secreta dal fegato, e quindi idrolizzata, per aiutare la solubilizzazione dei grassi. V.1.3 gsartor L04 - I grassi

16 Fosfolipasi A 2 Esistono almeno due famiglie di PLA 2 : spla 2 : secreta, che permette l idrolisi dei fosfolipidi all interfaccia, e possiede un dominio che si lega alla membrana (veleno delle api) cpla 2 : citosolica, che viene utilizzata per la produzione di acidi grassi (arachidonato), inositolo fosfato come messaggeri intracellulari. V.1.3 gsartor L04 - I grassi Fosfolipasi A 2 (EC ) 18G V.1.3 gsartor L04 - I grassi

17 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Diade catalitica Ca ++ AP99 I48 1FXF V.1.3 gsartor L04 - I grassi

18 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Ipotetico modo d azione di Fosfolipasi A 2 su di una micella di fosfolipidi V.1.3 gsartor L04 - I grassi

19 FAB V.1.3 gsartor L04 - I grassi FAB V.1.3 gsartor L04 - I grassi

20 Glicerolo L ossidazione del glicerolo a diidrossiacetone è catalizzata dalla glicerolo fosfato (EC ) AD+ AD 1JQ5 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Glicerolo ATP ADP P La fosforilazione del diidrossiacetone è catalizzata dalla diidrossiacetone chinasi (EC ). Il diidrossiacetonfosfato così formatosi è convogliato nella glicolisi 1UE Diidrossiacetone mologo ATP Mg V.1.3 gsartor L04 - I grassi

21 Glicerolo ATP ADP P La fosforilazione del diidrossiacetone è catalizzata dalla diidrossiacetone chinasi (EC ). Il diidrossiacetonfosfato così formatosi è convogliato nella glicolisi 1UE Diidrossiacetone mologo ATP Mg ++ V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione degli acidi grassi 21

22 β-ossidazione degli acidi grassi Ì?? Acidi grassi Acidi grassi saturi C 3 Acido stearico (C 18 ) Acidi grassi insaturi C 3 Acidi grassi polinsaturi Acido oleico (C 18 9 ) C18:1ω C 3 18 Acido linoleico (C 18 9,12 ) C18:2ω6 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

23 β-ossidazione acidi grassi Una volta che i TGA sono idrolizzati ad acidi grassi questi ultimi vengono demoliti fondamentalmente attraverso l ossidazione, Il principale meccanismo è quello della β-ossidazione che distacca unità bicarboniose, sottoforma di Acetil-, rompendo il legame tra il Cα e il Cβ, α β C 3 C 3 α β C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi A seconda del numero (n) di atomi di carbonio dell acido grasso di producono n/2 molecole di Acetil-. La reazione avviene nella matrice mitocondriale. Gli acidi grassi vengo attivati attraverso la formazione di un Acil-. L Acil- viene trasportato all interno della membrana interna mitocondriale attraverso il sistema carnitina/acilcarnitina. V.1.3 gsartor L04 - I grassi

24 Attivazione degli acidi grassi L attivazione degli acidi grassi porta alla formazione di Acil- Coa Avviene nel citoplasma ad opera di una l acil- sintetasi (EC ). Il processo è endoergonico ( G = 31.4 kjmole -1 ) Viene reso spontaneo dalla razione di idrolisi di una molecola di ATP a AMP e PPi, il quale fornisce un surplus di energia convertendosi a 2Pi attraverso una pirofosfatasi, per un totale di kjmole -1 di ATP impiegato. C 3 ATP G = kj mol -1 G = kj mol -1 G = kj mol AMP + PPi -1 2Pi C 3 1V25 1V26 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Formazione di Acil- Il meccanismo di reazione prevede la formazione di un derivato intermedio aciladenosina, legato all enzima, che subisce l attacco nucleofilo da parte dell atomo di zolfo del -. ATP Acido grasso C 3 P P P n C 3 n + P P P PPi P Aciladenosina Pi C 3 n P V.1.3 gsartor L04 - I grassi Intermedio tetraedrico 2 C 3 P n Acil- + AMP 2 24

25 Trasporto Il trasporto degli acil nell interno degli organelli subcellulari, dove avviene l ossidazione degli acidi grassi, sfrutta il sistema carnitina/acilcarnitina. + C 3 C 3 C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Carnitina Il sistema carnitina/acilcarnitina è stato scoperto la prima volta nei mitocondri. Esso contiene carnitina acetiltransferasi (CAT), legata strettamente alla faccia interna della membrana interna mitocondriale e quattro isoenzimi carnitina palmitoil transferasi (CPT, CPT-IA nel fegato, CPT-IB nel muscolo e altre cellule, CPT-IC nel cervello e CPT-II). Gli enzimi CPT-I sono localizzati nella membrana esterna mitocondriale con le loro porzioni catalitica e regolatoria (inibita da malonil) che si affacciano verso il lato citoplasmatico mentre CPT II è localizzata come la CAT. Tale varietà isoenzimatica è legata alla diversa affinità per i diversi gruppi acilici: CAT: C2-C10, CPTI: C6-C20 CPTII: C6-C18 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

26 Carnitina Anche i perossisomi contengono una CAT, la carnitina octiltransferasi (CRT) che ha un affinità maggiore per C4-C16, è inibita da malonil ed un altra acilcarnitina transferasi solubile non inibita da malonil. Anche altre membrane (reticolo endoplasmatico, sarcoplasmatico, membrana nucleare e membrana plasmatica) contengono carnitina aciltransferasi. V.1.3 gsartor L04 - I grassi Trasporto nei mitocondri Il trasporto di Acil-Coa attraverso la membrana interna mitocondriale viene quindi mediato dalla carnitina attraverso tre sistemi enzimatici: A. Carnitina aciltransferasi I, nel lato citoplasmatico, CAT, CPT-IA nel fegato, CPT-IB nel muscolo e altre cellule, CPT-IC nel cervello. B. Carnitina acilcarnitina traslocasi (CACT), nella membrana e C. Carnitina aciltransferasi II, nel lato della matrice mitocondriale. CPT-II Carnitina Carnitina Acil- Citoplasma CPTI -acilcarnitina - pazio intermembrana CACT CPTII Matrice Acil- -acilcarnitina Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi

27 Trasporto nei mitocondri Carnitina Acil- -acetilcarnitina Citoplasma CPTI Carnitina -acetilcarnitina Carnitina -acilcarnitina - pazio intermembrana CACT CACT Matrice CPTII β-ossidazione CAT -acilcarnitina + - Acil- + Carnitina Acetil- + Carnitina -acetilcarnitina + - Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi Trasporto nei perossisomi ei perossisomi il trasporto di Acil-Coa attraverso la membrana viene mediato dalla carnitina attraverso: A. Carnitina aciltransferasi I, nel lato citoplasmatico, CRT e solubile. B. Carnitina acilcarnitina traslocasi, nella membrana e C. Carnitina aciltransferasi II, all interno. CPT-II Carnitina + Acil- CPT solubile CRT Interno del perossisoma - + -acilcarnitina CACT Carnitina + Acil- CPTII Citoplasma - + -acilcarnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi

28 Carnitina aciltransferasi EC C 3 C 3 C 3 + n C3 Carnitina Acil transferasi I (lato matrice) Carnitina Acil transferasi II (lato citoplasma) n C 3 + C 3 3 C C 3 + V.1.3 gsartor L04 - I grassi Carnitina aciltransferasi EC Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi

29 Carnitina aciltransferasi EC Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi Carnitina aciltransferasi EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi

30 Carnitina aciltransferasi EC Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi Carnitina aciltransferasi EC Carnitina V.1.3 gsartor L04 - I grassi

31 β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

32 β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

33 β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC β-chetoacil- AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi La strategia della β-ossidazione consiste nel generare un nuovo carbonile in β a seguito della rotture del legame tra Cα e Cβ. Tale sequenza di reazioni produce: Un Acetil- Un Acil- più corto di due unità carboniose. Un FAD 2 Un AD La reazione procede ciclicamente fino a quando l acil- è ridotto a due unità (Acetil-) o tre unità (Propionil-) carboniose. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

34 Destino dei prodotti I prodotti della β-ossidazione: Acetil- e corpi chetonici: entrano nel ciclo di Krebs per produrre equivalenti riducenti (AD e FAD 2 ) che alimentano la fosforilazione ossidativa per la produzione di ATP. Un Acil- più corto di due unità carboniose: rientra nel ciclo successivo di β- ossidazione. FAD 2 e AD che alimentano la fosforilazione ossidativa per la produzione di ATP. V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

35 β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

36 β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra deidorgenasi riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - AD + + C 3 3-Chetotiolasi EC β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra deidorgenasi riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. FAD Acil- C 3 Acil- (C n ) EC EC EC C 3 FAD 2 C 3 3-Chetotiolasi EC Acil- (C n-2 ) - C 3 E il ciclo si ripete trans- 2 -enoil- C 3 β-chetoacil- AD L-3-idrossiacil- EC AD + L-β-idrossiacil- C 3 Enoil- idratasi EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi

37 β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Acil- EC EC EC C Tre enzimi solubili nella matrice 3 Acil- (C n ) - Contengono un FAD come gruppo C 3 β-chetoacil- mitocondriale con diversa 3-Chetotiolasi specificità per EC acidi grassi con catena idrofobica di diversa lunghezza (corti, medi e lunghi). prostetico. AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

38 Acil- EC EC EC Il FAD viene ridotto a FAD 2, gli elettroni vengono poi convogliati alla catena respiratoria attraverso una flavoproteina trasportatrice di elettroni (ETF) e al CoQ per formare CoQ 2. Acil- (C n ) EC EC EC C 3 FAD ETF red CoQ trans- 2 -enoil- FAD 2 ETF ox CoQ 2 C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Acil- EC EC EC Meccanismo C 3 C C 3 B B + FAD C 3 C C 3 B + EC I2 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

39 β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + β-chetoacil- Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 C 3 Enoil- idratasi EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi Idratazione stereo specifica. L enoil- idratasi catalizza l idratazione stereospecifica al doppio legame trans producendo L-idrossiacil-. Esamero. C 3 β-chetoacil- AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 3-Chetotiolasi Due enzimi: EC EC : maggiore affinità per enoil- a corta - catena. EC : maggiore affinità per enoil- a lunga C catena. 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 C 3 Enoil- idratasi EC EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi

40 Enoil- idratasi EC Esanoil- 1MJ3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Enoil- idratasi EC δ ++ R R Glu 164 Glu 144 Glu 164 δ R Glu 144 Glu 164 R Glu164 Glu 144 Glu144 Glu 144 Glu 164 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

41 Enoil- idratasi EC δ ++ R R Glu 164 Glu 144 Glu 164 δ R Glu 144 Glu 164 R Glu164 Glu 144 Glu144 Glu 144 Glu 164 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + β-chetoacil- Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

42 β-ossidazione acidi grassi L enzima L-3-idrossiacil- catalizza l ossidazione di L-β-idrossiacil-. FAD Acil- C 3 È un enzima specifico per l isomero L. Acil- (C n ) EC EC EC Il AD prodotto entra nella catena C 3 respiratoria a livello del FAD complesso I. 2 C 3 3-Chetotiolasi EC Acil- (C n-2 ) - C 3 C 3 trans- 2 -enoil- β-chetoacil- 2 AD + + L-3-idrossiacil- EC AD + L-β-idrossiacil- C 3 Enoil- idratasi EC V.1.3 gsartor L04 - I grassi L-3-idrossiacil- EC is Glu + δ - C AD + + P P Gly is + Glu C AD P P Gly V.1.3 gsartor L04 - I grassi

43 β-ossidazione acidi grassi In tutto quattro attività enzimatiche catalizzano il processo ciclico: Una riduce il legame CαCβ a doppio legame, Una idratasi addiziona acqua in trans per formare un enolo Un altra riduce il gruppo a carbonile ed infine Una tiolasi permette la rottura del legame CαCβ per formare Acetil- e Acil- più corto di due unità. - C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + β-chetoacil- L-3-idrossiacil- EC AD + Acil- (C n ) C 3 C 3 Acil- (C n-2 ) L-β-idrossiacil- C 3 trans- 2 -enoil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 2 Enoil- idratasi EC C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi β-ossidazione acidi grassi - β-chetoacil- Acil- (C n ) L-3-idrossiacil- Enoil- idratasi EC i produce un Acil-EC di due atomi di carbonio più corto. AD + C 3 C 3 3-Chetotiolasi EC AD + + C 3 Acil- (C n-2 ) C 3 L-β-idrossiacil- C 3 FAD Acil- EC EC EC FAD 2 trans- 2 -enoil- La chetotiolasi catalizza la scissione del β-chetoacil-. Il ciclo ricomincia. 2 C 3 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

44 3-Chetotiolasi EC C n B + C 2 B + C 2 - B + C 3 C 2 B Intermedio enzima tioestere V.1.3 gsartor L04 - I grassi Chetotiolasi EC B B + Intermedio enzima tioestere B + C n-2 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

45 3-Chetotiolasi EC Arg Cys 1AWF V.1.3 gsartor L04 - I grassi techiometria Per ogni ciclo si producono: AD che equivale a 2.5 moli di ATP prodotte nella catena respiratoria. FAD 2 che equivale a 1.5 moli di ATP prodotte nella catena respiratoria. Per la degradazione dell acido palmitico (C 16 ): C 3 -(C 2 ) 14 -C-- + 7FAD + 7AD C 3 -C-- + 7FAD 2 + 7AD FAD Pi ADP FAD ATP 320 kjmol -1 7AD Pi ADP AD ATP 534 kjmol -1 8C 3 -C Pi + 80ADP C ATP 2440 kjmol -1 C 3 -(C 2 ) 14 -C Pi +108ADP ATP + 16 C kjmol -1 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

46 techiometria Per ogni ciclo si producono: AD che equivale a 2.5 moli di ATP prodotte nella catena respiratoria. FAD 2 che equivale a 1.5 moli di ATP prodotte nella catena respiratoria. Per la degradazione dell acido palmitico (C 16 ): C 3 -(C 2 ) 14 -C-- + 7FAD + 7AD C 3 -C-- + 7FAD 2 + 7AD FAD Pi ADP FAD ATP 320 kjmol -1 7AD Pi ADP AD ATP 534 kjmol -1 8C 3 -C Pi + 80ADP C ATP 2440 kjmol -1 C 3 -(C 2 ) 14 -C Pi +108ADP ATP + 16 C kjmol -1 V.1.3 gsartor L04 - I grassi Rendimento Combustione dell acido palmitico: C 3 -(C 2 ) 14 -C + 2 C G = kjmol -1 ssidazione dell acido palmitico e respirazione cellulare: C 3 -(C 2 ) 14 -C + 2 C (108 2)ATP = G = kjmol -1 Efficienza = 3233/9790 = 33% Produzione di metabolica per mole di acido palmitico che viene β-ossidato. V.1.3 gsartor L04 - I grassi

47 Pari e dispari Dalla β-ossidazione di acidi grassi con atomi si carbonio pari (n) si formano n/2 acetil- attraverso (n/2 1) cicli di reazioni. Dalla β-ossidazione di acidi grassi con atomi si carbonio dispari (n) si formano n/2-1 acetil- + 1 propionil- da (n/2-1) cicli di reazioni. V.1.3 gsartor L04 - I grassi Acidi grassi dispari Acil- β-ossidazione n/2 3 C C 3 Propionil- uccinil- Propionil- carbossilasi ATP + C Metilmalonil- mutasi D-Metilmalonil- C 3 C 3 Metilmalonil- epimerasi L-Metilmalonil- V.1.3 gsartor L04 - I grassi

48 Acidi grassi monoinsaturi 3 C 6 6 C 3 leil- (C 18 9 ) 6 3 x β-ossidazione 3 3 C 2 Enoil- idratasi 6 x β-ossidazione 3 C 6 3 C 6 cis- 3 -dodecanoil- Enoil- isomerasi trans- 3 -dodecanoil- 6 3 C V.1.3 gsartor L04 - I grassi Acidi grassi polinsaturi 3 C C 4 Linoeil- (C ) cis- 4 -decanoil- cis- 3 -cis- 3 -dodecanoil- 3 x β-ossidazione 3 C 4 β-ossidazione 3 3 C 2 Enoil- idratasi 3 C 4 Enoil- isomerasi trans- 3 -cis- 6 -dodecanoil- 3 C 4 trans- 2 -cis- 4 -decanoil- ADP + + ADP + Dienoil- reduttasi 3 C 4 trans- 3 -decanoil- 5 3 C 4 x β-ossidazione Enoil- idratasi 2 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

49 Perossisomi La β-ossidazione avviene in molte strutture subcellulari, in particolare nei perossisomi. ono deputati alla formazione di 2 2 che viene utilizzata come sistema di difesa da batteri, virus, ecc. L accettore di elettroni della acil- ossidasi è il FAD: FAD FAD 2 FAD FAD V.1.3 gsartor L04 - I grassi ω-ossidazione el reticolo endoplasmatico può avvenire la ω-ossidazione. n C 3 n n Catalizzata da enzimi che appartengono alla classe delle ossidasi miste (CytP450, CYP) Provocano una idrossilazione e quindi una ossidazione. È un processo aspecifico che converte molecole lipofile in prodotti più idrosolubili più facili da eliminare. È un processo che detossifica le cellule da molecole lipofile. V.1.3 gsartor L04 - I grassi

50 truttura del CYP (1P5) AA basici V.1.3 gsartor L04 - I grassi truttura del CYP (1P5) Cys436 AA basici V.1.3 gsartor L04 - I grassi

51 truttura del CYP (1P5) Cys436 AA basici Cavità V.1.3 gsartor L04 - I grassi Ciclo del CYP (prodotto) R R (substrato) Fe 3+ 2 Fe 3+ R 2 2 Fe 3+ R e - Fe 2+ R Fe 3+ R 2 AD(P)-citocromo P450 reduttasi [Fe 2+ 2 R] e- + [Fe2+ R] -1 [Fe 2+ 2 R] -2 citocromo b5 V.1.3 gsartor L04 - I grassi

52 Meccanismo ciclico del CYP R 2 R R 2 R Fe 3+ Fe 3+ Fe 3+ II I VII 2- Fe 4+ R +. A e VI 2 + R - Fe 3+ + R Fe 2+ III + R 2- R - R 2 Fe 3+ e - Fe 3+ Fe 2+ V IV Fe 2+ V.1.3 gsartor L04 - I grassi Meccanismo ciclico del CYP R 2 I. P450 acquo Fe 3+ (basso spin) Fe 3+ II. Lega R P450 canfora Fe 3+ (alto spin) entra 1e -, riduzione a Fe R III. P450 canfora Fe 2+ VII Lega 2 IV. P450 con 2 legato, Fe 4+ 2 equivalente a Fe R 2 - entra 1e -, riduzione a 2-2 V. P450 perossido VI Fe R A + Fe 3+ I 2 2 R 2 R Fe 3+ e - R Fe 2+ II III + R 2- R - R 2 Fe 3+ e - Fe 3+ Fe 2+ V IV Fe 2+ V.1.3 gsartor L04 - I grassi

53 Meccanismo ciclico del CYP R 2 R R 2 R VI. Entra 1 + P450 idroperossido Entra 1 + esce 2 VII. P450 Fe catione radicale sulla proteina si forma R VII VI 2 + Fe Fe 4+ Fe 3+ - R R +. A + Fe 3+ I 2 2 Fe 3+ e - R Fe 2+ II III A. L idroperossido VI si può formare per reazione di II con Fe R e - R - Fe 3+ R Fe 2+ 2 V IV Fe 2+ V.1.3 gsartor L04 - I grassi Meccanismo L ossigeno è legato non ad angolo retto. Il legame dell ossigeno allontana il ligando (R) solo dopo che I due atomi di ossigeno si sono ridotti il ligando si riavvicina. Ciò previene la formazione di R. Gli elettroni per la riduzione dell ossigeno so forniti da una proteina Fe- (P450 batterica o mitocondriale) o da una ADP-citocromo P450 ossidoreduttasi FAD/FM dipendente (microsomi). V.1.3 gsartor L04 - I grassi

54 Meccanismo generale del CYP 2 ADP + CYTP450 Reduttasi FM 2 /FAD 2 CYP Fe 3+ R ADP + + CYTP450 Reduttasi FM/FAD CYP Fe 2+ R V.1.3 gsartor L04 - I grassi Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CAMPE Pamela, ARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BAI DELLA BICIMICA [IB ] Zanichelli EL David L., CX Michael M. I PRICIPI DI BICIMICA DI LEIGER - Zanichelli GARRETT Reginald., GRIAM Charles M. BICIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PRATT Charlotte W FDAMETI DI BICIMICA [IB ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: Rensselaer Polytechnic Institute: Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio artor Università di Bologna a Ravenna Giorgio artor - giorgio.sartor@unibo.it 54