Colesterolo Digestione dei lipidi Fitosteroli

Università di Roma Tor Vergata- Scienze della Nutrizione Umana Biochimica Prof.ssa Luciana Avigliano 2014 Colesterolo Digestione dei lipidi Fitosteroli

COLESTEROLO MOLECOLA FONDAMENTALE PER IL NOSTRO ORGANISMO scoperto nel 1784 nei calcoli biliari Chimici piccola molecola più premiata: 13 Premi Nobel 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

esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

COLESTEROLO DIETA presente in alimenti di origine animale nelle piante: fitosteroli dalla dieta: 50 mg/die vegetariani -> 400 mg/die INRAN, Linee guida USA 2005 300 mg/die (adulti) BIOSINTESI 700-900 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

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

COLESTEROLO quantità riportate come mg per 100 g di alimento edibile Ø cervello di animali Ø Tuorlo d' uovo (1.350) un uovo intero contiene 400 mg di colesterolo per 100 g Ø Burro (250) Ø Frutti di mare (aragosta, gamberi, ostriche, cozze 150) Ø Salumi grassi (100) Ø Formaggi grassi (pecorino, grana, parmigiano ecc. 100) Ø Carne e pesce magri (petto di pollo, tonno, pesce spada ecc. 70).

FEGATO: ORGANO PRIMARIO NELLA OMEOSTASI DEL COLESTEROLO omeostasi epatica studiata da 30 anni Michael Brown e Joseph Goldstein 1985- vincitori del premio Nobel - basi molecolari della ipercolesterolema familiare 2003 - 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

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

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

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 CH 2 CH 2 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

BIOSINTESI Acetil CoA mitocondriale - piruvato (da glucosio) - β-ossidazione acidi grassi esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato citrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi NADPH + H + - via dei pentosi fosfati (glucosio) - enzima malico ossalacetato + NADH D malato + NAD + malato + NADP + + H 2 O + enzima malico Ú piruvato + HCO - 3 + NADPH + H + ATP fosforilazione ossidativa

1. Conversione di un frammento C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevolonato) CO-S-CoA + CH 3 * CH 3 * C=O CH 2 CoA-SH HMG~CoA sintasi 2NADPH + H + 2NADP + COO CoA-SH HMG ~CoA CH 2 reduttasi HO-C-CH 3 COO CH 2 HO-C-CH 3 CO -S-CoA HMG~CoA reduttasi CH 2 CO -S-CoA CH 2 CH 2 O H acetil CoA acetoacetil CoA idrossimetil glutaril ~ CoA mevalonato (HMG~CoA) Ø Ø 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

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

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

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 Ò 5,6)

ALTRE BIOSINTESI selenoproteine trasduzione del segnale Proteine isoprenilate (Ras) farmaci antitumorali Sec-tRNA isopenteniladenosina Dolicolo-P 18-20 unità Eme a citocromo c ossidasi CoQ10 o ubichinone + Tyr Colesterolo Proteine N- glicosilate (immunoglobuline) Trasporto elettroni mitocondriale Antiossidante lipofilo ormoni vitamina D acidi biliari membrane

CoQ 10

TRASPORTO EMATICO e CAPTAZIONE

- ACIDI GRASSI LEGATI ALL ALBUMINA tessuto adiposo ] fegato - LIPOPROTEINE chilomicroni 2% proteine, 85% TG, fosfolipidi (FL) intestino ] fegato VLDL 8% proteine, 60% TG, FL fegato ] organi periferici. ò LDL 22% proteine, 6%TG, FL, 2/3 colesterolo totale HDL 50% proteine, FL, 20% 1/3 colesterolo totale fegato ] organi periferici ] fegato fosfolipidi apob100 LDL:Alti livelli associati a rischio di malattia cardiovascolare TG colesterolo libero (non esterificato) esteri del colesterolo

Funzione delle apolipoproteine: Secrezione - Attivazione di enzimi - Legame a recettori apoproteina lipoproteina funzione B48 chilomicroni secrezione chilomicroni B100 VLDL 50 % secrezione VLDL LDL 100 % lega recettore LDL C(II) chilomicroni, VLDL attiva LPL A(I, II) HDL attiva LCAT E chilomicroni, VLDL, HDL lega recettori epatici LPL lipoprotein lipasi LCAT lecitina colesterolo acil transferasi

Il colesterolo importato blocca la sintesi del colesterolo e del recettore

REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA DELLA HMG~CoA REDUTTASI

LIVELLI DI REGOLAZIONE DELLA HMGCoA REDUTTASI I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto mevalonato farmaci (statine) II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione forma non fosforilata più attiva forma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente ATP/AMP 50 piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP] Calo in [ATP] inibisce sintesi colesterolo e ac. grassi III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesi via principale VARIAZIONI DI ATTIVITA FINO A 200 VOLTE

STATINE X O HO COO - OH HO COO - OH H 3 C R = CH 3 X= H lovastatina CH 3 O CH 3 R = CH 3 X= CH 3 simvastatina R Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi effetti positivi sintesi colesterolo sintesi del recettore per le LDL livelli di LDL (~ 50%) effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo anti-infiammatori anti-aggreganti miopatia (coenzima Q?, selenoproteine?, alterato metaboslimo isoprenico?) neuropatia

REGOLAZIONE di LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI controllo feedback da parte del colesterolo DEGRADAZIONE e BIOSINTESI REGOLATE dai LIVELLI CELLULARI DI COLESTEROLO (tramite sensori dei livelli di colesterolo del R.E.) tramite PROTEOLISI CONTROLLATA

HMG~CoA reduttasi 2 DOMINI dominio idrofobico N-terminale ancorato al R.E. che contiene un dominio sensibile agli steroli - importante per la stabilità dominio idrofilico citosolico C-terminale -catalitico I. DEGRADAZIONE (emivita 3 h) dominio sensibile agli steroli sterol-sensing domain in presenza di alti livelli di colesterolo degradata dal sistema ubiquitina- proteasoma

II: REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE tramite fattori di trascrizione Sterol Regulatory Element - Binding Protein SRE-BP Legano sequenze SRE Sterol Regulatory Element presenti nel promotore di geni coinvolti nella biosintesi di acidi grassi e colesterolo 2 isoforme sintetizzate da due distinti geni SRE-BP1c più selettiva per biosintesi trigliceridi SRE-BP2 più selettiva per biosintesi colesterolo

Cellule deplete di colesterolo S S2P S SREBP SREBP SCAP SCAP SCAP riciclaggio Nucleo S SRE Alto livello di trascrizione SRE-BP proteina precursore ancorata al R.E due specifiche rotture nel Golgi Ú parte N-terminale forma solubile attiva nucleare R.E. Golgi Colesterolo abbondante ins1p S2P S SREBP Nucleo SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein SENSORE DEL COLESTEROLO contiene sterol-sensing domain (omologo a dominio della HMGCoA-R) Colesterolo si lega e modula la conformazione WD R.E. SCAP Golgi SRE Livello basale di trascrizione S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2

SCAP proteina tetramerica che risponde in maniera cooperativa ai livelli di colesterolo: coefficiente di Hill 3,5 Arun Radhakrishnan1 et al. Cell metabolism 2008

REGOLAZIONE GLOBALE ALTI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Aumento della degradazione di HMG-CoA reduttasi 2. Diminuzione della attivazione di SRE-BP SI ABBASSANO I LIVELLI BASSI LIVELLI DI COLESTEROLO DEL R.E. PORTANO A 1. Più lunga emivita di HMG-CoA reduttasi 2. Aumento della attivazione di SRE-BP SI INNALZANO I LIVELLI

CATABOLISMO

ACIDI BILIARI. Prodotti del catabolismo Funzione nell assorbimento dei lipidi acido taurocolico - 3 gruppi -OH polari in C3, C7, C12 - gruppo solfato della taurina Enzima chiave 7α-idrossilasi

REGOLAZIONE della DEGRADAZIONE Acido ascorbico O 2 H 2 O acido deidroascorbico R.E. Colesterolo 7α-idrossilasi (CYP7A1) 7α -idrossicolesterolo CYP7A1 - indotta da colesterolo alimentare - inibita da sali biliari HMG-CoA reduttasi trascrizione regolata da + farnesoid X receptor (FXR) Ligandi: sali biliari. down regola 7α-idrossilasi e impedisce accumulo di sali biliari liver X receptor (LXRα ) Ligandi: ossisteroli induce espressione trasportatori ABCA1 (ATP-binding cassette) Impedisce accumulo di colesterolo

Normale Regolazione epatica IDL intermediate-density lipoprotein Difetto genetico del recettore Dieta ricca in grassi Recettore saturo e down-regolato Colesterolo dalla dieta SATURAZIONE RECETTORE Û CALORIE TOTALI Û TRIGLICERIDI Û COLESTEROLO Ü DIETA IPOCALORICA Ü DIGIUNO

Digestione ed assorbimento dei lipidi

STOMACO TRIGLICERIDI idrolisi di TG con acido grassi a corta-media catena (allattamento) per azione della lipasi gastrica DUODENO TRIGLICERIDI Idrolisi parziale a dovuta alla azione combinata di - sistema lipasi - colipasi pancreatica - sali biliari ( fegato) - bicarbonato 2-monoacil-glicerolo + 2 molecole di acido grasso FOSFOLIPIDI: fosfolipasi A 2 (produce lisofosfatidilcolina) COLESTEROLO: assorbito come colesterolo libero colesteril-estere idrolasi idrolizza colesterolo esterificato

acido taurocolico Idrossilato in C3, C7, C12 BILE 82% BILE H 2 O Il restante in proporzione 5% colesterolo 5% colesterolo 15% fosfolipidi 80% sali 15% biliari fosfolipidi 80% Sali biliari CIRCOLO ENTEROEPATICO sali biliari: sintetizzati 400 mg/die riciclati 20-30 g/die

Sistema lipasi-colipasi Complesso 1:1 Bersaglio dell Orlistat farmaco antiobesità Mancata digestione del 30% TG Voet

PRODOTTI DELLA DIGESTIONE monoacilgliceroli, acidi grassi, lisofosfatidilcolina,colesterolo ASSORBIMENTO In genere alta efficienza 95% Formazione di piccole micelle 3-10 nm contenenti anche le vitamine A, D, E, K grazie alla azione dei sali biliari, detergenti biologici DIFFUSIONE PASSIVA: gradiente di concentrazione mantenuto dalla riesterificazione nel R.E.dell enterocita TRASPORTO FACILITATO Mediante trasportatori Fatty Acid Transport Protein (FATP) a basse concentrazioni

RETICOLO ENDOPLASMATICO riesterificazione 2-monoacilglicerolo + acil~coa g trigliceride colesterolo + acil ~ COA g estere del colesterolo acil-colesterolo acil transferasi ACAT ed acquisizione di apolipoproteine (B48, A, E, C) APPARATO DI GOLGI secrezione di chilomicroni acidi grassi a corta catena via linfatica Apo E sangue portale legati alla albumina Apo A Apo C Apo B48

ENTEROCITA captazione ed efflusso dal lume intestinale biosintesi formazione dei chilomicroni

ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO INIBIZIONE tramite alimenti fitosteroli fibra alimentare yogurt, latti fermentati (probiotici: lactobacilli e bifidobatteri) assorbono colesterolo intestinale diminuendo l assorbimento da parte dell organismo producono acidi a carta catena (acido propionico che inibisce l attività dell HMG-CoA) farmaci ezetimibe colestiramina - resine che legano acidi biliari e ne prevengono il riassorbimento

BILE 5% colesterolo 15% fosfatidilcolina 80% sali biliari CIRCOLO ENTEROEPATICO Acidi biliari: sintetizzati 400 mg/die riciclati 20-30 g/die Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile Vegetariani stretti Dieta occidentale assunzione dieta <55 mg dalla bile 750 mg assunzione dieta 300-500 mg dalla bile 800-1200 mg

FITOSTEROLI Animali sintetizzano dallo squalene solo il colesterolo Piante sintetizzano dallo squalene vari steroli tipici per ciascun vegetale - parte ciclica simile a quella del colesterolo, - piccole variazioni nella catena laterale.

2 classi: steroli o Δ 5 -steroli con un doppio legame in posizione 5 stanoli senza il doppio legame.

dalla dieta 200-400 mg/die (onnivoro vs vegetariano) Quantità apprezzabili in tutti gli alimenti vegetali oli vegetali, noci, grano integrale, legumi,frutta, verdura Alimento Oli di grano 950 Olio di girasole 720 Olio di soia 220 Olio di oliva 160 Mandorle 140 Fagioli 75 Banana 16 Mela 12 Pomodoro 7 mg/ 100 gr prodotto edibile - poco captati dall enterocita: max 5% vs 50% colesterolo - concentrazione ematica: 0,1-0,14% quella del colesterolo

SUPPLEMENTAZIONE di 2 grammi/die porta a - Riduzione di assorbimento del colesterolo del 30-50% - Riduzione livelli LDL del 9-14% senza influenzare i livelli di HDL e TG (effetti dopo un paio di settimane di trattamento) Meccanismo ipotizzato definiti CARDIOPROTETTIVI - nel lume intestinale competono e spiazzano il colesterolo dalle micelle fosfolipidi/sali biliari, così da diminuire l assorbimento Interazioni con farmaci (statine): possono contribuire per un ulteriore 10% al calo di LDL

FDA 2000-approved health claims supporting their role in lowering both total and LDL cholesterol Raccomanda l assunzione di 800 mg/d Dieta uomo primitivo alta in fitoseroli, 1 g/die dovrebbe essere rapporto fitosterolo:colesterolo = 5:1 negli USA dal 1999 inclusi in alimenti fortificati - margarine, burro, oli in forma di esteri di acidi grassi a lunga catena (più liposolubili) - succo d arancia, snack da bar, yogurt emulsionati con lecitina per integrarli in alimenti non lipidici

FDA (USA) - non superare i 3 g/die CONTROINDICAZIONI per dosi terapeutiche ü generiche per donne in gravidanza, anziani, bambini ( anche se non ci sono controindicazioni specifiche) ü occasionalmente nausea, diarrea, costipazione ü calo nell assorbimento di vitamine liposolubili, in particolare β- carotene; necessaria assunzione addizionale di verdure e frutta ad alto contenuto in carotenoidi ü fattore di rischio per malattia cardiovascolare in seguito ad iperassorbimento di fitosteroli in alcuni individui con particolare patrimonio genetico (sitosterolemia o fitosterolemia)

Captazione ed efflusso intestinale: processo selettivo

1.TRASPORTATORI - superficie apicale Niemann-Pick C1-like protein 1 (NPC1L1) Importo colesterolo > fitosteroli e quindi internalizzato per endocitosi ATP-binding cassette (ABC) isoforme intestinali ABCG5 e ABCG8 Pompa attiva per l efflusso di colesterolo dall enterocita nel lume intestinale CHILOMICRONI acil~coa:colesterolo aciltransferasi (ACAT) 70-80% viene esterificato microsomal triglyceride transfer protein (MTP) colesterolo colesterolo Ezetimibe ABCG5 ABCG8 NPC1L1 fitosteroli colesterolo colesterolo trigliceridi colesterolo Acidi grassi ACAT2 MTP Apo B-48 estere del colesterolo ENTEROCITA LINFA COLESTEROLO 50% assorbito ( ma grande variabilità individuale 20-80%) FITOSTEROLI uptake max 5% e non riconosciuti da ACAT FITOSTEROLEMIA mutazione di ABC G5 / ABC G8 (1 : 5 milioni) iperassorbimento e diminuita escrezione aumenta anche colesterolo Porta a malattia cardiovascolare

EZETIMIBE inibitore selettivo dell assorbimento del colesterolo Molecola sintetizzata nel 1998 - appartenente a classe di composti progettati come inibitori della ACAT - efficaci in vivo senza azione inibente sulla ACAT in vitro Anello β-lattamico Bersaglio identificato nel trasportore NPC1L1 (2004) contiene un sito sterolo-sensibile, analogamentealla HMGCoAR e SCAP aumenta sintesi endogena per cui vanno accoppiate le statine

Punti di controllo nell omeostasi biosintesi epatica captazione intestinale HMG~CoA reduttasi NPC1L1 diventano bersagli farmacologici CONTROLLO DEI LIVELLI DI COLESTEROLO ENDOGENO ED ESOGENO

Controllo non farmacologico della colesterolemia Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document A PARITA DI INTROITO CALORICO Û Acidi grassi saturi e trans insaturi (<5% nella carne e latte ruminanti) Û Saccarosio, fruttosio (generano trigliceridi) Û Colesterolo (effetto minore di grassi saturi) = Acidi grassi monoinsaturi effetto neutro o positivo (altri componenti) Ü Acidi grassi polinsaturi: ac linoleico, EPA, DHA (pesce, olio di pesce) Ü Dieta ipocalorica e calo ponderale Ü Attività fisica aerobica (Û HDL) Ü Fibra alimentare (vegetali, frutta che contengono anche folati) Ü Fitosteroli (cereali integrali, noci non salate) Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL

Le malattie cardiovascolari sono la causa più importante di mortalità, morbosità e invalidità nella popolazione italiana. ü Limitare il consumo di grassi in generale ü Sostituire i grassi saturi (carne, insaccati, formaggio, burro) con acidi grassi polinsaturi e monoinsaturi (pesce, oli vegetali) ü Aumentare il consumo di frutta, verdura, legumi ü Limitare il consumo di dolci ü Limitare il sale ü Limitare il consumo di alcol ü Dimagrire se si è in sovrappeso ü Svolgere attività fisica ü Abolire il fumo