(a) Nutrienti quali regolatori delle funzioni cellulari. Colesterolo. Digestione dei lipidi. Fitosteroli

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1 Università di Roma Tor Vergata- Scienze della Nutrizione Umana Biochimica Prof.ssa Luciana Avigliano 2011 (a) Nutrienti quali regolatori delle funzioni cellulari Colesterolo Digestione dei lipidi Fitosteroli

2 METABOLISMO REGOLATO DA SEGNALI INTERNI - ORMONI [nm ] AMBIENTALI - NUTRIENTI [µm ] ADATTAMENTO ALLA INTERMITTENZA DI RIFORNIMENTO DI CIBO L INTENSITA DEL SEGNALE INDOTTA DAL NUTRIENTE VARIA CON LA COMPOSIZIONE DELL ALIMENTO LA FREQUENZA DELL ASSUNZIONE Cibo stimolo molto complesso con centinaia di nutrienti e composti bioattivi

3 AZIONE REGOLATORIA NUTRIENTI NON NUTRIENTI METABOLITI macro e micronutrienti sostanze vegetali prostaglandine, acido retinoico COMPOSTI FORMATI DURANTE LA COTTURA amine eterocicliche EFFETTI BENEFICI diminuzione lipidi plasmatici EFFETTI DANNOSI alterazione metabolismo glucosio IMPORTANTE per la prevenzione di patologie legate alla alimentazione

4 DNA Controllo epigenetico donatori metile Trascritto primario mrna mrna Controllo degradazione mrna mrna inattivo ferro Controllo trascrizionale glucosio, acidi grassi, colesterolo Controllo processamento mrna Controllo traduzionale ferro selenio proteina inattiva Controllo post-traduzionale vitamine minerali nucleo citoplasma proteina attiva

5 NUTRIGENOMICA Effetto di nutrienti sulla regolazione della funzione genica (trascrizione, traduzione) e del metabolismo. interazione dieta gene NUTRIGENETICA Impatto della variazione genetica individuale sulla richiesta nutrizionale ottimale per quel singolo individuo (nutrizione personalizzata) interazione gene dieta scopo conoscere l azione di nutrienti e composti bioattivi al fine di promuovere la salute e prevenire la malattie

6 IL CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE E MEDIATO DA FATTORI TRASCRIZIONALI diversi domini funzionali Dominio di legame al DNA riconosce una specifica sequenza di 8-12 basi del DNA comuni tipi di legame Zinc finger Leucine zipper Dominio di transattivazione regola attività della RNA polimerasi II Dominio di regolazione dipende da una specifica via di segnale cellulare regolazione da ligando (allosterica) modificazione covalente (fosforilazione, proteolisi) modificazione redox ( zinc-finger) interazione con altre subunità regolatorie

7 Dominio di regolazione con induzione di cambiamenti conformazionali regolazione da ligando (allosterica) superfamiglia dei recettori nucleari Meccanismo comune da parte di fattori lipofili e loro metaboliti recettori per gli ormoni steroidi ed ormoni tiroidei recettori per la vit D recettori per i retinoidi recettori per acidi grassi (peroxisome proliferator-activated receptors PPAR) geni enzimi lipolitici modificazione covalente fosforilazione e defosforilazione attivazione di chinasi/fosfatasi proteolisi SRE-BP (Sterol Responsive Element-Binding Protein) - geni enzimi lipogenici modificazione redox ( -SH -S-S-) vitamine antiossidanti, glutatione composti organici dello zolfo

8 COLESTEROLO MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO scoperto nel 1784 nei calcoli biliari piccola molecola più premiata: 13 Premi Nobel Chimici per la sua struttura a 4 anelli condensati Biochimici per la biosintesi (coinvolti più di 30 enzimi) a partire dall acetato Fisiologi Medici per le sue funzioni collegata ad aterosclerosi ed infarto COLESTEROLO TOTALE 100 g 5% ematico, 95% cellulare

9 esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

10 DIETA COLESTEROLO presente in alimenti di origine animale nelle piante: fitosteroli dalla dieta: 50 mg/die vegetariani -> 400 mg/die INRAN, Linee guida USA mg/die (adulti) BIOSINTESI mg/die in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle) LE DUE VIE SI INFLUENZANO RECIPROCAMENTE PER MANTENERE COSTANTI I LIVELLI CELLULARI TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die

11 FUNZIONI strutturale modulatore della fluidità delle membrane ( lipid rafts ) precursore - acidi biliari (400 mg/die) VIA CATABOLICA - ormoni steroidei (cortisolo, aldosterone, ormoni sessuali) - vitamina D EFFETTI DANNOSI molecola apolare, assolutamente insolubile in acqua - se precipita, non più rimovibile con conseguente danno cellulare - se si accumula in modo errato nelle arterie non può più essere rimosso; i livelli ematici devono rimanere bassi

12 FEGATO: ORGANO PRIMARIO NELLA OMEOSTASI DEL COLESTEROLO omeostasi epatica studiata da 30 anni Michael Brown e Joseph Goldstein vincitori del premio Nobel - basi molecolari della ipercolesterolema familiare Albany Medical Center Prize - controllo trascrizionale della biosintesi BIOSINTESI enzima chiave HMGCoA REDUTTASI captazione dal circolo VIE COORDINATE recettori per le lipoproteine dai livelli di colesterolo catabolismo enzima chiave COLESTEROLO 7α IDROSSILASI ENTEROCITA studiata negli ultimi anni CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE Biosintesi Formazione dei chilomicroni

13 acetato CH 3 I isoprene 3 HC C=CH CH 3 polimerizzazione terpene

14 monoterpene C10 diterpene c20 fitolo nella clorofilla limonene citronella mentolo trans retinale triterpene C30 tetraterpene C40 squalene lanosterolo Licopene (pigmento rosso del pomodoro)

15 acetilcoa ATP, NADPH isoprene (5 atomi di carbonio) polimerizzazione squalene (30 atomi di carbonio) C I C-C=C-C STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA RETICOLO ENDOPLASMATICO O 2 3 HC CH 3 lanosterolo Prodotto di ciclizzazione (30 atomi di carbonio) HO CH 3 H CH 3 CH 3 CH 3 O 2 NADPH 3 HC CH 3 colesterolo (27 atomi di carbonio) HO CH 3

16 Acetil CoA BIOSINTESI mitocondriale - piruvato (da glucosio) - β-ossidazione acidi grassi esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato citrato + ATP + CoASH + ATP-citrato liasi ossalacetato + acetil CoA + ADP +Pi NADPH + H + - via dei pentosi fosfati (glucosio) - enzima malico malato + NADP + + H 2 O + enzima malico piruvato+ HCO NADPH + H + ATP fosforilazione ossidativa

17 1. Conversione di un frammento C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevolonato) CO-S-CoA + CH 3 * CH 3 * C=O CoA-SH HMG~CoA sintasi 2NADPH + H + 2NADP + COO CoA-SH HMG ~CoA reduttasi COO HO-C-CH 3 HO-C-CH 3 CO -S-CoA HMG~CoA reduttasi CO -S-CoA legata al reticolo endoplasmatico tramite la porzione N-terminale che contiene un dominio sensibile agli steroli importante per la stabilità porzione C-terminale citosolica che contiene il dominio catalitico PUNTO DI CONTROLLO DELL INTERO PROCESSO BIOSINTETICO O H acetil CoA acetoacetil CoA idrossimetil glutaril ~ CoA mevalonato (HMG~CoA)

18 2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato) Tre tappe di fosforilazione ad opera di chinasi con il consumo di 3 ATP COO ATP ADP mevalonico chinasi ATP ADP COO COO fosfomevalonico chinasi HO-C-CH 3 O H HO- C-CH 3 -O-PO 3 H HO- C-CH 3 -O-P~P mevalonato 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato ATP ADP + Pi CO 2 fosfomevalonico decarbossilasi II C - CH 3 -O-P ~P isopentenilpirofosfato isomerasi CH 3 I C - CH 3 CH -O-P ~P 3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato isoprene attivato

19 3. Polimerizzazione della molecola isoprenica dimetilallilpirofosfato C5 C5 C10 + Isopentenil pirofosfato PPi prenil transferasi geranilpirofosfato 2 X C15 C30 prenil transferasi PPi farnesilpirofosfato NADPH + H + NADP + + 2PPi squalene sintasi squalene

20 4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo O 2 NADPH + H + NADP + Squalene epossidasi H 2 O squalene H + squalene epossido Squalene epossido ciclasi lanosterolo 19 reazioni (NADPH e O 2 ) rimozione 3 metili (due in C4 ed uno in C14) come CO 2 saturazione doppio legame (catena laterale) spostamento doppio legame (8,9 5,6)

21 ALTRE BIOSINTESI selenoproteine trasduzione del segnale Proteine isoprenilate (Ras) farmaci antitumorali Sec-tRNA isopenteniladenosina Dolicolo-P unità Eme a citocromo c ossidasi CoQ10 o ubichinone + Tyr Colesterolo Proteine N- glicosilate (immunoglobuline) Trasporto elettroni mitocondriale Antiossidante lipofilo ormoni acidi biliari vitamina D membrane

22 CoQ10