Il catabolismo dei lipidi e l ossidazione degli acidi grassi

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1 Il catabolismo dei lipidi e l ossidazione degli acidi grassi Nella maggior parte degli organismi i lipidi si trovano principalmente nella forma di TRIACILGLICEROLI (trigliceridi) In molte piante una grossa quantità di trigliceridi sono conservati nei semi, nei frutti e nei granuli pollinici (eccezione jojoba che accumula acidi grassi e cere nei semi)

2 I lipidi di deposito vegetali sono anche un importante fonte di grassi alimentari per l uomo e gli altri animali Industria manifatturiera: produzione detergenti, rivestimenti, materie plastiche e lubrificanti.

3 I lipidi rappresentano una enorme riserva energetica. Questo in virtù del fatto che il carbonio nei triacilgliceroli presenta un grado di riduzione maggiore di quello presente nei carboidrati Non bisogna dimenticare la presenza del gruppo carbossilico, altamente ossidato, ma la maggior parte del carbonio è in forma metilenica, quindi altamente ossidata

4 Da ciò ne deriva che l ossidazione dei grassi consuma più ossigeno, in rapporto al peso, dell ossidazione dei carboidrati e rilascia una quantità superiore di energia metabolica Negli animali, i grassi provengono da tre vie: - alimentazione - biosintesi ex-novo nel fegato - mobilizzazione del grasso accumulato negli adipociti La mobilizzazione dei lipidi negli animali è operata dalle proteine [(very low density lipoprotein (VLDL), low density lipoprotein (LDL) high density lipoprotein (HDL)]

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6 Nei semi deidratati, prima della germinazione, vi è una bassissima attività enzimatica, mentre durante l imbibizione si ha un incremento di attività di un gran numero di enzimi tra i quali le lipasi dei trigliceridi I loro substrati sono contenuti in gocce di olio (oleosomi) dentro i semi e gli enzimi agiscono sulla superficie delle gocce, probabilmente con l aiuto di proteine leganti per facilitare il processo

7 Gli enzimi deputati alla scissione dei trigliceridi sono idrolasi più propriamente chiamate LIPASI Le lipasi catalizzano il rilascio di acidi grassi esterificati sulle posizioni 1 e 3 dei trigliceridi per ottenere un monoacilglicerolo Il rilascio di tutti e tre gli acidi grassi è ottenuto attraverso la migrazione dell acido grasso dalla posizione 2 alla posizione 1 e il suo susseguente rilascio

8 Il glicerolo rilasciato viene convertito ad un intermedio della Glicolisi, il DIIDROSSIACETONFOSFATO, in una reazione catalizzata dalla GLICEROLO CHINASI e dalla GLICEROLO FOSFATO DEIDROGENASI

9 La scissione dei fosfolipidi Gli enzimi coinvolti nella scissione e rimodellazione dei fosfolipidi sono chiamati FOSFOLIPASI Nelle piante e nei tessuti animali, un gran numero di fosfolipasi è stato identificato in funzione del sito di attacco sulla molecola del fosfolipide

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12 Il composto risultante che contiene solo un acido grasso, nella posizione 1 o 2, è chiamato lisofosfolipide. Questi enzimi sono coinvolti nella modificazione della composizione in acidi grassi delle membrane fosfolipidiche esistenti La fosfolipasi B sembra essere presente solo nei microrganismi, e poiché agisce sia sulla posizione 1 che 2, è capace di agire sia sui fosfolipidi intatti che sui fosfolipidi liberi La fosfolipasi C ha un ruolo importante nel controllo dell attività enzimatica. Molti enzimi sono regolati da un meccanismo di fosforilazione/defosforilazione calcio dipendente

13 Anche se la fosfolipasi D è stata trovata nei tessuti animali, la fonte principale di quest enzima sono i tessuti vegetali. E un enzima molto attivo coinvolto nella reazione di scambio degli acidi fosfatidici; comunque il suo ruolo nel metabolismo dei fosfolipidi non è ancora del tutto chiaro

14 Catabolismo dei glicolipidi Le piante sono molto ricche di glicolipidi. Il loro catabolismo è particolarmente attivo durante la senescenza ed il susseguente danno ai tessuti La degradazione completa avviene in due stadi: 1) gli acidi grassi sono rimossi dalla acil-idrolasi 2) gli zuccheri residui sono rimossi per azione delle galattosidasi Nei ruminanti una grande quantità dei lipidi ingeriti sono degradati per azione dell acil-idrolasi e della glicosidasi batterica

15 L ossidazione dei grassi avviene mediante la betaossidazione Negli animali questa avviene nel mitocondrio o nel perossioma, mentre nelle piante e in molti funghi avviene solo nel perossisoma In realtà l ossidazione avviene nel perossisoma degli organismi animali solo quando la catena è troppo lunga per potere entrare nel mitocondrio anche se si blocca quando la catena è formata da 8 atomi di C e quindi prosegue nel mitocondrio Come vedremo nel caso della ossidazione perossisomale non si produce ATP ed invece perossido di idrogeno che è convertito ad acqua ed ossigeno dalla catalasi

16 Ossidazione degli acidi grassi Gli acidi grassi possono andare incontro ad una serie di modificazioni ossidative Quantitativamente il percorso biochimico più importante nell ossidazione degli acidi grassi è la OSSIDAZIONE Questo processo avviene in tutti gli organismi ed è la principale via attraverso cui gli acidi grassi sono utilizzati per produrre energia Nella ossidazione, gli acidi grassi sono degradati a composti più piccoli, solitamente acetil-coa, che può poi essere ossidato attraverso il ciclo TCA

17 La conversione delle lunghe catene degli acidi grassi in acetil-coa e la sua successiva ossidazione nel ciclo TCA porta alla produzione di una grossa quantità di coenzimi ridotti quali NADH e FADH 2, che verranno utilizzati per la produzione di ATP Nelle piante e nei funghi, inoltre, la ossidazione può essere utilizzata per ottenere acetil-coa per la sintesi dei carboidrati tramite la via del gliossilato

18 Due altri processi ossidativi, conosciuti come - ossidazione e -ossidazione, sono coinvolti nella modificazione degli acidi grassi -ossidazione: provoca l ossidazione degli acidi grassi sul carbonio in posizione 2 ( rispetto al carbonile) -ossidazione: determina l ossidazione degli acidi grassi sul gruppo metile terminale cioè sul carbonio

19 ossidazione Quasi tutti i tessuti sono in grado di ossidare gli acidi grassi tramite la ossidazione Nella cellula sono presenti due principali siti dove avviene la ossidazione Negli animali è la matrice mitocondriale il luogo in cui gli acidi grassi sono completamente ossidati da acetil-coa. Nel fegato e nei reni riveste invece maggior importanza l ossidazione che avviene nei perossisomi

20 La ossidazione nei perossisomi sembra essere un meccanismo utilizzato principalmente per ridurre la lunghezza delle catene degli acidi grassi, che possono essere successivamente completamente ossidati nella matrice mitocondriale Nei tessuti fogliari delle piante, sembrano i perossisomi più che i mitocondri, gli organelli deputati all ossidazione degli acidi grassi, mentre nei semi i gliossisomi sono i siti principali dell ossidazione degli acidi grassi, in quanto il prodotto dell ossidazione, l acetil-coa, può entrare direttamente nel ciclo del gliossilato

21 ossidazione mitocondriale Gli acidi grassi metabolizzati dalla ossidazione possono derivare sia da fonti esogene (alimenti) che endogene (esempio tessuto adiposo e fegato) Il trasporto degli acidi grassi nel sangue avviene nella forma non esterificata (NEFAs) con la proteina trasportatrice, che normalmente è l ALBUMINA, prodotta dal fegato. Altrimenti vengono trasportati come fosfolipidi e trigliceridi incorporati nelle lipoproteine, principalmente lipoproteine a bassissima densità (VLDL)

22 Gli acidi grassi legati alle lipoproteine sono rilasciati nel sangue attraverso l azione della lipoproteina lipasi, enzima localizzato sulla superficie del lumen delle cellule capillari dell endotelio dei capillari I NEFAs passano dal sangue alle cellule adiacenti sia per diffusione sia per un processo mediato della membrana

23 ATTIVAZIONE DELL ACIDO GRASSO Nel citoplasma, gli acidi grassi devono essere attivati come esteri del CoA prima di essere successivamente metabolizzati La reazione richiede ATP ed è catalizzata da un enzima chiamato ACETIL-CoA SINTASI

24 L acido grasso così attivato sul lato citosolico della membrana mitocondriale esterna può essere trasportato nel mitocondrio oppure essere utilizzati nel citosol per la sintesi dei lipidi di membrana

25 Una serie di enzimi catalizzano questa reazione, ma hanno differente specificità per la lunghezza della catena. I due più importanti nell ossidazione degli acidi grassi sono: acetil-coa sintasi a media catena (C4-C12) acetil-coa sintasi a lunga catena (C10 e più)

26 L acetil-coa sintasi a lunga catena è un enzima legato alla membrana dei perossisomi, nel reticolo endoplasmatico e nella membrana mitocondriale esterna Questa distribuzione permette agli acidi grassi di essere metabolizzati attraverso diversi percorsi metabolici in differenti siti sub-cellulari Ad esempio la riduzione della lunghezza della catena che avviene nei perossisomi, la sintesi dei fosfolipidi e trigliceridi nel reticolo endoplasmatico e la ossidazione nei mitocondri

27 La membrana mitocondriale interna costituisce una barriera agli acetil-coa destinati all ossidazione. Né il CoA né gli esteri del CoA possono attraversarla. Questo è dovuto principalmente alle grandi dimensioni ed alla natura delle cariche presenti nella molecola del CoA Per facilitare il movimento degli acidi grassi attraverso la membrana interna mitocondriale verso la matrice, gli acetil-coa sono convertiti in acil-carnitina ad opera dell enzima carnitina-aciltransferasi I, localizzata nello spazio intermembrane mitocondriale

28 Il complesso Acido grasso-carnitina si forma attraverso la membrana interna tramite una proteina di trasporto, la Acil-carnitina Translocasi, che attua un meccanismo di antiporto (entrata della Carnitina e uscita della Acido grasso-carnitina). Nella matrice mitocondriale l acido grasso viene trasferito dalla Carnitina di nuovo al CoA grazie alla Carnitina aciltransferasi II. Una volta entrati nella matrice mitocondriale come estere del CoA gli acidi grassi subiscono la ossidazione.

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30 Le reazioni della ossidazione La ossidazione è costituita da una sequenza di quattro reazioni necessarie per rimuovere un unità bicarboniosa della terminazione carbossilica dell acido grasso Questa sequenza di reazioni è ripetuta fino a quando l acido grasso è completamente ossidato

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32 1) Reazione iniziale di deidrogenazione Il primo passo della ossidazione di un acil-coa è la rimozione di un atomo di idrogeno dai carboni 2 ( ) e 3 ( ) con formazione del 2 TRANS-ENOIL-CoA Si tratta di un ossidazione operata da tre diverse ACETL- CoA DEIDROGENASI che agiscono su acidi grassi a catena di diversa lunghezza (corta, media e lunga) Ciascuna di esse ha tuttavia come gruppo prostetico il FAD. Gli atomi di idrogeno sono accettati dal FAD che viene ridotto a FADH 2 Dal FADH 2 gli elettroni sono traslocati ad una flavoproteina che trasferisce elettroni (ETF) che, a Sua volta li trasferisce alla catena di trasporto mitocondriale

33 2) Idratazione e deidrogenazione Il passo successivo della reazione è l idratazione della molecola. L enzima responsabile di questa reazione è l ENOIL-CoA IDRATASI Questo enzima catalizza l addizione stereospecifica dell acqua sul doppio legame con formazione dell L-3-IDROSSIALCIL-CoA

34 Successivamente si ha una deidrogenazione NAD + - dipendente. L enzima specifico è la 3-IDROSSIACIL-CoA DEIDROGENASI. Questo enzima è relativamente non specifico per la lunghezza della catena, ma è estremamente specifico riguardo allo stereoisomero L del 3-idrossiacil- CoA L enzima catalizza la rimozione di due atomi di idrogeno dal carbonio 1 ed il loro trasferimento al NAD +. Il prodotto della reazione è il 3-CHETACIL-CoA

35 3) Rottura del legame tioestere Il passo finale nel ciclo di reazioni della ossidazione è la rottura tiolitica del legame del 3- acetoacil-coa tra i carboni 2 e 3 ad opera del CoA L enzima che opera la rottura è chiamato CHETOTIOLASI. Un gruppo tiolico essenziale dell enzima (E-SH) attacca il substrato portando alla formazione dell enzima acilato e di acetil-coa come intermedi

36 Resa energetica della ossidazione Le due riserve più usate dalle cellule per la produzione di Acetil-CoA sono il glucosio e gli acidi grassi. Gli acidi grassi a lunga catena sono composti altamente ridotti e dunque la loro completa ossidazione può condurre alla produzione di un grande quantitativo di ATP La completa ossidazione di una mole di acido palmitico produce 8 moli di acetil-coa che può essere successivamente ossidato attraverso il ciclo TCA Una molecola di ATP è idrolizzata ad AMP e PPi per l attivazione degli acidi grassi prima del trasporto della matrice mitocondriale

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38 TABELLA 14.1 Resa in ATP dell ossidazione dell acido palmitico (C16) Percorso Conversione netta Cofattori prodotti ossidazione Da acido palmitico a 8 acetil-coa Ciclo TCA 8 Acetil-CoA a CO 2 e acqua Resa in ATP 7 NADH 21 ATP 7 FADH 2 14 ATP 24 NADH 72 ATP 8 FADH 2 16 ATP 8 GTP 8 ATP Totale 131 ATP

39 Una molecola di ATP è idrolizzata ad AMP e PP i per l attivazione degli acidi grassi prima del trasporto nella matrice mitocondriale Questo equivale all utilizzazione di 2 ATP, quindi si ha una sintesi netta di 129 moli di ATP dalla beta ossidazione di una mole di acido palmitico

40 ossidazione degli acidi grassi a catena dispari La ossidazione degli acidi grassi a catena dispari è in parte simile a quella degli acidi grassi a catena pari Il processo procede attraverso la rimozione sequenziale di acetil-coa fino a quando non rimane l intermedio a cinque atomi di cabonio. Questo è quindi convertito in una molecola di acetil-coa e una molecola di propionil-coa

41 Poiché il propionil-coa è un composto a tre atomi di carbonio questo può essere utilizzato per la sintesi del glucosio Comunque, la quantità di acidi grassi a catena dispari trovata nei tessuti animali è solitamente piccola (1-2%) e dunque il contributo alla produzione di glucosio è trascurabile in confronto con altri composti gluconeogenetici Questa è negli animali una delle poche possibilità di conversione di un prodotto dell ossidazione degli acidi grassi in glucosio

42 In questo caso il succinil-coa entra nel ciclo TCA e viene demolito per la produzione di energia

43 La ossidazione degli acidi grassi insaturi Una ossidazione leggermente modificata rispetto a quella tipica è necessaria per l ossidazione degli acidi grassi insaturi L intermedio insaturo prodotto dall Acil-CoA deidrogenasi ha la configurazione 2 Trans, mentre negli acidi grassi insaturi si riscontra un doppio legame in configurazione cis Poiché gli acidi grassi insaturi sono ossidati tramite la rimozione di una unità bicarboniosa dalla coda carbossilica, la posizione dei doppi legami si sposta mano a mano che la catena si accorcia sul carbonio del gruppo carbossilico che è sempre il carbonio 1 Tale situazione ha due importanti conseguenze nella ossidazione degli acidi grassi insaturi

44 Per un acido grasso come l acido oleico che ha un doppio legame cis tra il carbonio 9 e 10, è necessaria una reazione addizionale per fare avvenire la ossidazione Il primo passo è la rimozione dei sei atomi di carbonio (tre molecole di Acetil-CoA) attraverso il solito percorso della ossidazione Il risultato è la produzione di un intermedio enoil- CoA di 12 atomi di carbonio ( 3 cis-dodecanoil- CoA) in cui il doppio legame è nella posizione sbagliata 3 invece che 2, e nella configurazione errata cis anziché trans

45 La posizione e la configurazione del doppio legame vengono modificate grazie all enzima enoil-coa isomerasi Questo enzima converte il doppio legame 3 cis in un doppio legame 2 trans che permette alla ossidazione di continuare regolarmente Attraverso l utilizzo di questi due enzimi addizionali, l enoil-coa isomerasi e la 2,4-dienoil- CoA riduttasi, quasi tutti gli acidi grassi presenti in natura possono essere ossidati tramite la ossidazione

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47 CONTROLLO DELLA Β- OSSIDAZIONE - Trasporto degli acil-coa nei mitocondri (CAT è inibita da malonil-coa) - Rapporto NAD/NADH - AcetilCoA inibisce la tiolasi

48 La ossidazione degli acidi grassi nei perossisomi e negli gliossisomi differisce da quella dei mitocondri La prima reazione è catalizzata dall ACIL-CoA OSSIDASI e si ha produzione di perossido di idrogeno, che è poi scisso dall azione della catalasi

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50 Le rimanenti reazioni del ciclo di ossidazione sembrano essere le stesse di quelle dei mitocondri, anche se potrebbero esserci differenze strutturali e funzionali degli enzimi nei diversi organelli subcellulari La membrana dei perossisomi e gliossisomi non costituisce, al contrario della membrana interna mitocondriale, una barriera di permeabilità ai derivati degli acidi grassi collegati al CoA Quindi non è necessario che gli acidi grassi vengano trasportati dalla carnitina prima di essere ossidati

51 Differentemente dai mitocondri, i perossisomi e gliossisomi non contengono una catena di trasporto elettronico capace di utilizzare il NADH prodotto Per assicurare l apporto di NAD + (ossidato), per l ossidazione continua degli acidi grassi, il NADH (ridotto) è trasportato nel citosol in cambio di NAD + La situazione è diversa tra cellule animali e vegetali a)negli ANIMALI l ossidazione perossisomica dà un significativo contributo al processo totale di ossidazione degli acidi grassi: nel fegato si può raggiungere il 50% del totale degli acidi grassi ossidati. Comunque, nei perossisomi, l ossidazione degli acidi grassi è parziale

52 Questi organelli difatti sembrano essere particolarmente importanti nella conversione degli acidi grassi a lunga catena in acidi grassi a media catena che poi vengono trasportati, tramite lo shuttle della carnitina, nei mitocondri, dove il processo di ossidazione si completa L acetil-coa prodotto nei perossisomi viene anche trasportato nella matrice mitocondriale dove può essere ossidato dal ciclo TCA o convertito in corpi chetonici. Il movimento di acetato tra gli organelli subcellulari si basa sempre su meccanismi mediati dalla carnitina

53 Nelle piante, i gliossisomi nei semi ed i perossisomi nelle foglie sono i principali siti di ossidazione. Infatti, si pensa che la ossidazione mitocondriale contribuisca marginalmente all ossidazione degli acidi grassi nelle piante, mentre è sicuro che sia i gliossisomi che i perossisomi sono capaci di ossidare completamente gli acidi grassi In alcuni semi germinanti, la quantità di acidi grassi mobilitata dai grassi di riserva e ossidata attraverso i gliossisomi è enorme, specialmente nelle oleaginose. Questi speciali organelli contengono sia enzimi necessari per ossidare gli acidi in acetil-coa, sia gli enzimi del ciclo del gliossilato, l isocitrato liasi e la malato sintasi che permettono alle piante di convertire l acetil-coa in glucosio

54 -ossidazione Come suggerisce lo stesso nome, questo processo determina l ossidazione degli acidi grassi a livello del carbonio (carbonio 2). Si può avere la rimozione di un singolo atomo di carbonio dal gruppo carbossilico o la produzione di acidi grassi -idrossilici

55 (a) Rimozione del gruppo COOH (b) Produzione di un -idrossi acido grasso

56 Il significato dell -ossidazione nei tessuti animali è ancora sconosciuto. Ci sono tre campi in cui potrebbe giocare un ruolo: Primo, potrebbe essere un meccanismo attraverso il quale sono sintetizzati gli acidi grassi a catena dispari, ad esempio la rimozione di un atomo di carbonio dal gruppo carbossilico di un acido grasso a catena pari Secondo, potrebbe essere coinvolta nella sintesi degli acidi grassi -idrossilici trovati in certi tessuti, in particolare nei tessuti cerebrali dove gli sfingolipidi contengono una grande quantità di questo tipo di acidi grassi Terzo, potrebbe agire di concerto con la -ossidazione per facilitare l ossidazione di acidi grassi che hanno caratteristiche strutturali che ne impedirebbero l ossidazione tramite la sola -ossidazione

57 Anche nelle piante l importanza della - ossidazione non è chiara. Si è tuttavia dimostrato che, con l eccezione dei semi germinanti dove la -ossidazione è estremamente attiva, l ossidazione potrebbe essere il percorso più importante per l ossidazione degli acidi grassi Oltre al suo ruolo nella degradazione degli acidi grassi, l -ossidazione è certamente coinvolta nella produzione degli alcooli a lunga catena e degli idrocarburi trovati nella cutina e suberina che compongono la cuticola

58 -ossidazione In questo processo, gli acidi grassi vanno incontro all ossidazione del carbonio o metilico trasformando acidi dicarbossilici e acidi grassi - idrossilici Negli animali, l enzima responsabile sembra essere un ossidasi con funzioni miste, associata al reticolo endoplasmatico e probabilmente coinvolgente un citocromo specializzato (P 450 ). Nelle piante il coinvolgimento del citocromo è dubbio

59 La -ossidazione può essere un passo essenziale nell ossidazione degli acidi grassi là dove il gruppo carbossilico sia indisponibile per la - ossidazione; infatti, la produzione di un gruppo carbossile dal carbonio metilico di un acido grasso permette al processo della -ossidazione di partire dalla parte opposta della molecola La produzione di un acido grasso -idrossilico può avere un ruolo anche nella formazione della cutina e della suberina