Appunti - Biochimica - L\'acido grasso sintasi e ela biosintesi del palmitato - a.a. 2015/2016 PDF

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L’acido grasso sintasi e la biosintesi del palmitato Prima che abbiano inizio le reazioni di condensazione che portano alla sintesi dell'acido grasso, i due gruppi tiolici del complesso multienzimatico devono essere caricati con i due gruppi acilici corretti. Dapprima il gruppo acetilico dell'acetil-CoA viene trasferito all'ACP in una reazione catalizzata dal dominio del polipeptide multifunzionale malonil/acetil-CoA-ACP trasferasi (MAT). Il gruppo acetilico viene quindi trasferito al gruppo Cys-SH della β-chetoacil-ACP sintasi (KS). Anche la seconda reazione, il trasferimento del gruppo malonilico dal malonil-CoA al gruppo -SH dell'ACP, è catalizzata dalla malonil/acetil-CoA-ACP trasferasi. I due gruppi acetilico e malonilico sono legati al complesso in forma attivata, per dar inizio e mandare avanti il processo di allungamento. Prenderemo ora in esame in dettaglio le prime quattro tappe della biosintesi dell'acido grasso. Tappa (1) Condensazione La prima reazione della via di biosintesi degli acidi grassi è una classica condensazione di Claisen che coinvolge i gruppi acetilici e malonilici attivati, con formazione dell'acetoacetil-ACP, un gruppo acetoacetilico legato all'ACP tramite il gruppo -SH della fosfopanteteina; allo stesso tempo si libera una molecola di CO2. In questa reazione, catalizzata dalla β-chetoacil-ACP sintasi (KS), il gruppo acetilico viene trasferito dal gruppo Cys-SH dell'enzima al gruppo malonilico dell' -SH dell'ACP, diventando l'unità bicarboniosa metil terminale del gruppo acetoacetilico neosintetizzato. L'atomo di carbonio della CO2 formata in questa reazione è lo stesso atomo di carbonio che era stato introdotto nella molecola del malonil-CoA durante la reazione dell'acetil-CoA con il bicarbonato, catalizzata dall'acetil-CoA carbossilasi. Quindi nella biosintesi degli acidi grassi la CO2 viene fissata covalentemente solo transitoriamente e viene allontanata quando nella catena carboniosa in fase di allungamento viene inserita un'unità a due atomi di carbonio. L'accoppiamento della condensazione con la decarbossilazione del gruppo malonilico rende il processo nel suo complesso molto esoergonico. Si ricordi che un processo simile di carbossilazione-decarbossilazione facilita nella gluconeogenesi la formazione del fosfoenolpiruvato dal piruvato. Usando unità maloniliche attivate nella biosintesi degli acidi grassi e unità acetiliche attivate nella degradazione, le cellule sono in grado di rendere entrambi i processi termodinamicamente favorevoli, anche se uno è in effetti l'inverso dell'altro. L'energia necessaria a rendere favorevole la sintesi degli acidi grassi viene fornita dall'ATP consumato per la formazione di malonil-CoA a partire da acetil-CoA e HCO3-. Tappa (2) Riduzione del gruppo carbonilico L'acetoacetil-ACP formato nella tappa di condensazione subisce la riduzione del suo gruppo carbonilico presente sul C-3, trasformandosi in D- I3-idrossibutirril-ACP. Questa reazione è catalizzata dalla β-chetoacil-ACP reduttasi (KR) e il donatore di elettroni è il NADPH. Si noti che il D-β-idrossibutirrile che si forma non ha la stessa forma stereoisomerica dell'analogo intermedio (L-β-idrossiacile) nell'ossidazione degli acidi grassi. Tappa (3) Deidratazione Nella terza tappa, dagli atomi di carbonio C-2 e C-3 del D-β-idrossibutirril-ACP viene rimossa una molecola di acqua per formare un doppio legame nel prodotto, il trans-Δ2-butenoil-ACP. L'enzima che catalizza la reazione di deidratazione è la β-idrossiacil-ACP deidratasi (DH). Tappa (4) Riduzione del doppio legame Il doppio legame del trans-Δ2-butenoil-ACP viene ridotto (saturato) generando butirril-ACP da parte della enoil-ACP reduttasi (ER); anche in questa reazione il donatore di equivalenti riducenti è il NADPH.

Biosintesi degli acidi grassi

Sintesi del Malonil-CoA La formazione irreversibile del malonil CoA è la tappa di comando nella sintesi degli acidi grassi. La formazione del malonil-CoA da acetil-CoA è catalizzata dall’Acetil-CoA Carbossilasi. Acetil-CoA Carbossilasi È un enzima costituito da tre subunità che fanno parte di un polipeptide multifunzionale. Contiene come gruppo prostetico la biotina legata covalentemente ad un residuo di Lys di una delle tre subunità dell’enzima. La biotina serve come trasportatore temporaneo della CO2.

Acetil-CoA carbossilasi: formazione del malonil-CoA dall'acetil-CoA e bicarbonato

Sintesi del Palmitato (16:0) La sequenza di reazioni che porta alla costruzione della lunga catena carboniosa degli acidi grassi è costituita di quattro tappe. In ogni passaggio attraverso il ciclo, la catena dell’acido grasso si allunga di due atomi di carbonio donati dal malonato attivato, con perdita di una molecola di CO 2. Dopo l’aggiunta di ogni unità bicarboniosa, reazioni di riduzione convertono la catena nascente in acido grasso saturo con 4, 6, 8,…..16 atomi di carbonio. Il prodotto finale è il palmitato, acido grasso saturo a 16 atomi di Carbonio. L’agente riducente nella sequenza biosintetica è il NADPH e i due gruppi attivanti sono due gruppi –SH. Tutte le reazioni del processo biosintetico sono catalizzate da un complesso multienzimatico, chiamato Acido grasso sintasi.

Complesso dell’acido grasso sintasi Il complesso dell’acido grasso sintasi nei vertebrati possiede 7 enzimi in una sola catena polipeptidica. ACP la proteina che trasporta gli acili (gruppo –SH) Acil Carrier Protein (ACP). AT acetil-CoA-ACP transacetilasi. KS β-chetoacil-ACP sintasi (gruppo –SH di un residuo di Cys). MT malonil-CoA-ACP transferasi. KR β-chetoacil-ACP reduttasi. HD β-idrossiacil-ACP deidratasi. ER enoil-ACP reduttasi.

La proteina che trasporta gli acili (ACP) Gli intermedi della sintesi degli acidi grassi sono legati covalentemente ad una proteina trasportatrice di acili ACP. L’ACP contiene il gruppo prostetico fosfopanteteina legata covalentemente al gruppo ossidrilico di un residuo di Ser dell’ACP. La fosfopanteteina possiede la vitamina B pantotenato e il suo gruppo –SH è il sito in cui entrano i gruppi malonilici durante la sintesi degli acidi grassi. Il gruppo acetilico dell’acetil-CoA viene trasferito al gruppo –SH del residuo di Cys della β-chetoacil-ACP-sintasi (KS). Questa reazione è catalizzata dalla Acetil-CoA-ACP Transacetilasi (AT).

La seconda reazione consiste nel trasferimento del malonile dal malonil-CoA al gruppo –SH dell’ACP. Questa reazione è catalizzata dalla Malonil-CoA-ACP Transferasi (MT).

Nel complesso sintasico carico, i gruppi acetilico e malonilico si vengono a trovare molto ravvicinati e sono attivati.

Tappa 1: Condensazione Condensazione tra i gruppi attivati acetilico e malonilico per formare un gruppo acetoacetilico legato all’ACP attraverso il gruppo –SH della fosfopantenina, cioè l’acetoacetil-ACP o β-chetobutirril-ACP. Contemporaneamente viene rilasciata una molecola di CO2. Reazione è catalizzata da β-chetoacil-ACP sintasi (KS). L’accoppiamento della condensazione con la decarbossilazione del gruppo malonilico rende esoergonico il processo nel suo complesso.

Tappa 2: Riduzione del gruppo carbonilico L’acetoacetil-ACP formato nella tappa 1 subisce la riduzione del suo gruppo carbonilico presente sul C3, trasformandosi in D-β-idrossibutirril-ACP. Reazione è catalizzata dalla β-chetoacil-ACP reduttasi (KR) e il donatore di elettroni è il NADPH.

Tappa 3: Deidratrazione Dal D-β-idrossibutirril-ACP viene rimossa una molecola di acqua per formare un doppio legame nel prodotto, il trans-Δ2butenil-ACP. L’enzima che catalizzata la reazione di deidratazione è la βidrossiacil-ACP deidratasi (HD).

Tappa 4: Riduzione del doppio legame Il doppio legame del trans-Δ2-butenil-ACP viene ridotto (saturato) generando butirril-ACP da parte dell’enoil-ACP reduttasi (ER). Anche in questa reazione il donatore di elettroni è il NADPH.

Il gruppo butirrilico viene trasferito dal gruppo –SH della fosfopanteteina a quello del residuo di Cys della β-chetoacil-ACP sintasi (KS), che inizialmente era occupato dal gruppo acetilico. Per allungare la catena di altri due atomi di carbonio un altro malonile viene legato al gruppo –SH della fosfopanteteina sull’ACP libero. Avviene la condensazione del gruppo butirrilico e due degli atomi di carbonio del malonile legato all’ACP; l’altro è perso sotto forma di CO2. Il prodotto della reazione è un acile a sei atomi di C, legato covalentemente all’–SH della fosfopanteteina. Il suo gruppo chetonico β viene ridotto nelle tre tappe successive formando un acile saturo a sei atomi di C. Per produrre il palmitato saturo, legato all’ACP, sono necessari sette cicli di reazioni di condensazione e riduzione. Reazione complessiva della sintesi del Palmitato AcetilCoA +7 malonil CoA + 14 NADPH + 14H+ → CH3(CH2) + 14 COOH +7CO2 + 8CoA-SH + 14NADP + 6H2O

↓ Sintesi dell’ac. palmitico Quindi sono necessarie:    

1 molecola di Acetil-CoA (unita’ iniziante o starter); 7 molecole di malonil-CoA; ATP per legare CO2 all’Acetil-CoA e produrre malonil-CoA; il potere riducente del NADPH per ridurre i doppi legami.

Si forma una molecola di acido palmitico a 16 atomi di carbonio con il rilascio di 7 molecole di CO2. La biosintesi procede per acquisto di due unità di carbonio. Gli intermedi sono tioesteri di una proteina ACP trasportatrice di acili. Gli enzimi sono organizzati nel complesso multienzimatico citoplasmatico acido grasso sintasi. L’allungamento si ferma quando viene raggiunta la lunghezza di 16 atomi di carbonio e viene rilasciato il palmitato dall’ACP per azione di una attività idrolitica presente nel complesso della sintasi. Nei mammiferi, il complesso dell’acido grasso sintasi è presente esclusivamente nel citosol. Questa localizzazione separa le reazioni del processo biosintetico da quelle del processo degradativo, molte delle quali avvengono nella matrice mitocondriale. Negli epatociti, il rapporto [NADPH]/[NADP+] nel citosol ha un valore molto elevato.

Siti cellulari in cui avvengono le diverse fasi del metabolismo degli acidi grassi

Nell’epatocita, negli adipociti e nelle ghiandole mammarie durante la lattazione il NADPH è in gran parte prodotto dalle reazioni della via del pentosio-fosfato. Negli epatociti e negli adipociti il NADPH citosolico è generato anche dall’enzima malico che determina la sintesi di piruvato che rientra nei mitocondri.

Produzione di NADPH mediante l'enzima malico

Sistema di trasporto di gruppi acetilici dai mitocondri al citosol L’acetil-CoA usato per la sintesi degli acidi grassi viene prodotto all’interno dei mitocondri dall’ossidazione del piruvato e dal catabolismo dello scheletro carbonioso degli amminoacidi. L’acetil-CoA che deriva dall’ossidazione degli acidi grassi non è una fonte di atomi di C per la sintesi di ac. grassi in quanto le due vie sono regolate in modo coordinato e complementare. La membrana mitocondriale interna è impermeabile all’acetil-CoA. L’acetil-CoA all’interno dei mitocondri reagisce con l’ossalacetato formando citrato nella prima reazione del ciclo dell’acido citrico catalizzata dalla citrato sintasi. Il citrato passa poi nel citosol attraversando la membrana mitocondriale interna mediante il trasportatore del citrato. Nel citosol il citrato viene scisso dalla citrato liasi che rigenera l’acetil-CoA e l'ossalacetato. Nel citosol questo ultimo composto viene ridotto dalla malato deidrogenasi a malato che ritorna nella matrice mitocondriale mediante il trasportatore malato-α-chetoglutarato, e viene riossidato ad ossalacetato. In alternativa, il malato prodotto nel citosol viene usato per generare NADPH citosolico attraverso l’attività dell’enzima malico.

Regolazione della biosintesi degli acidi grassi La sintesi di malonil-CoA catalizzata dalla acetil-CoA carbossilasi è la tappa che limita la velocità di sintesi degli ac. grassi. L’acetil-CoA carbossilasi è sottoposta a:  

regolazione allosterica; regolazione da modificazione covalente ormone-dipendente.

Regolazione allosterica dell’acetil-CoA Carbossilasi Il palmitoil-CoA si comporta da INIBITORE retroattivo dell’enzima. Il citrato è il suo ATTIVATORE allosterico. Regolazione da modificazione covalente ormone-dipendente La fosforilazione dell’enzima innescata da adrenalina e glucagone INATTIVA l’enzima, causando l’arresto della sintesi degli ac. grassi. Nella forma attiva defosforilata l’acetil-CoA carbossilasi polimerizza in lunghi filamenti. La fosforilazione è accompagnata dalla dissociazione in monomeri e dalla perdita dell’attività catalitica (forma inattiva).

Allungamento della catena Il palmitato è il precursore degli altri acidi grassi a catena più lunga. Può essere allungato per formare stearato (18:0) o ac. grassi a catena ancora più lunga mediante l’aggiunta successiva di unità acetiliche, catalizzata dal sistema di allungamento degli acidi grassi, presente nel reticolo endoplasmatico liscio e nei mitocondri. Il meccanismo di allungamento è identico a quello usato nella sintesi del palmitato. Tuttavia, sono coinvolti enzimi diversi e il trasportatore di acili è il coenzima A e non l’ACP. Il palmitato e lo stearato sono anche i precursori dei più comuni ac. grassi insaturi dei tessuti animali (palmitoleato,16:1 (Δ9); oleato, 18:1 (Δ 9)).

Acil-CoA DESATURASI.

Allungamento della catena dell’ acido grasso. Per sintetizzare acidi grassi con catena >16 C bisogna allungare la catena del palmitato (o di acidi grassi assunti con gli alimenti). La catena di palmitato (C16) può essere allungata per mezzo di due sistemi enzimatici: il sistema di allungamento mitocondriale; il sistema di allungamento microsomiale. PALMITATO

mitocondri

microsomi

Desaturazione degli acidi grassi. Per sintetizzare gli acidi grassi insaturi, bisogna deidrogenare gli acidi grassi saturi con formazione di doppi legami. Gli acidi grassi possono essere desaturati grazie a degli enzimi detti desaturasi che trasformano gli acidi grassi saturi in acidi grassi insaturi. Tuttavia delle classi particolari di acidi grassi insaturi non possono essere sintetizzate nel nostro organismo e devono essere introdotte con la dieta: questi acidi grassi vengono detti acidi grassi essenziali. In particolare il limite delle desaturasi consiste nel non essere in grado di deidrogenare acidi grassi in prossimità dell’estremità metilica (negli ultimi 6 atomi di carbonio). Si ricorda che in un acido grasso esistono 2 estremità, la prima carbossilica (COOH) e la seconda metilica (CH3) detta anche estremità Z (omega). La posizione dei doppi legami può essere indicata in due modi: numerando gli atomi di carbonio dal gruppo carbossile (carbonio 1) ed indicando il doppio legame con il numero dell’atomo di carbonio coinvolto nel doppio legame e più vicino al carbossile. numerando gli atomi di carbonio a partire dall’estremità omega (classe omega o n). Con questo sistema si indica solo la posizione del primo doppio legame che si incontra procedendo dall’estremità omega, gli altri doppi legami non si considerano.

Acidi grassi essenziali I principali acidi grassi essenziali sono: l’acido linoleico, l’acido linolenico e l’acido arachidonico. Acido linoleico (oli e grassi vegetali) C18:2 doppi legami in pos. 9 e 12 (fra 9 e 10 e fra 12 e 13) L’acido linoleico appartiene alla classe degli omega 6.(18-12=6) Acido Arachidonico C20:4 doppi legami Anch’esso appartiene alla classe degli omega 6 in quanto l’ultimo doppio legame è in posizione 14 (20-14=6) Acido linolenico (pesce) C18:3 doppi legami Appartiene alla classe omega 3 in quanto l’ultimo legame è in posizione 15. Questi acidi grassi polinsaturi non possono essere sintetizzati nel nostro organismo poiché l’enzima desaturasi non riesce ad inserire un doppio legame in posizioni vicine all’estremità omega (posizione 3 e 6); da ciò deriva la necessità di ingerire gli omega 3 e 6 con l’alimentazione. Utilizzando l’acido linoleico presente nella dieta il nostro organismo è in grado di sintetizzare altri acidi grassi poliinsaturi omega 3 a catena più lunga: ad esempio l’acido eicosapentenoico (EPA) e l’acido docosaesaenoico (DHA).

Gli Omega 3 I pesci contengono una grande proporzione di derivati dell’acido linolenico (omega3), quali EPA e DHA. Studi su popolazioni che consumano molto pesce hanno dimostrato una bassa incidenza di infarto del miocardio presso questi soggetti.

Gli Omega 6 L’acido arachidonico è il precursore di una importante classe di molecole che fungono da messaggeri intercellulari: le prostaglandine. Le Prostaglandine intervengono quali mediatori chimici nei processi di flogosi. L’aspirina (acido acetil salicilico) ha un’attività anti-infiammatoria perché inibisce l’enzima responsabile della sintesi di prostaglandine a partire da acido arachidonico.

Biosintesi dei trigliceridi I trigliceridi derivano dal glicerolo e dagli acidi grassi. Il glicerolo è un alcool trivalente e i trigliceridi sono esteri del glicerolo con acidi grassi a catena lunga. CH2OH C O C O Ê

2H

diidrossiacetonfosfato NADH+H +

glicerolo3P deidrogenasi

+ NAD O CH2OH HO

CH2OH

C H

HO

CH2 OH

R1 C

ATP

C

HO

glicerolo-3-fosfato

R1

C H CH2 O Ê

CoASH glicerolo3P acil-coA trasferasi

glicerolo chinasi

glicerolo

CH2 O C

H

CH2 O Ê

ADP

O SCoA

acido lisofosfatidico O R 2 C SCoA lisofosfatidato acil-coA trasferasi

CoASH

O CH2 O C

O R2

fosfolipidi

C

O

R1

C H CH2 O Ê

acido fosfatidico H2O fosfatidato fosfatasi

O R2 C

R3 C

CH2 O C R1 O

C

Pi

O

O H

O CH2 O C R3

trigliceride

O CH2 O C R1

SCoA

CoASH digliceride acil-coA trasferasi

O R2 C

O

C

H

CH2 OH digliceride

Come si può osservare dalla serie di reazioni illustrate nella pagina precedente, in realtà viene utilizzato per la sintesi dei trigliceridi il glicerolo- 3- fosfato. Esso proviene da un intermedio della glicolisi, il diidrossiacetonfosfato (DAP proveniente dalla degradazione del fruttosio1,6 bifosfato) grazie all’azione dell’enzima glicerolo-

3-fosfato deidrogenasi NAD dipendente. Nel fegato è presente l’enzima glicerolo chinasi che catalizza la fosforilazione del glicerolo proveniente dall’idrolisi dei trigliceridi nel tessuto adiposo e muscolare. Gli acidi grassi utilizzati sono in forma attivata, cioè coniugati con il coenzima A.

Tutti i componenti dei trigliceridi possono derivare quindi dal glucosio: gli acidi grassi derivano dall’acetil-CoA. L’acetil-CoA deriva dal piruvato, che a sua volta si forma nella glicolisi; il glicerolo può essere sintetizzato a partire da uno degli intermedi della glicolisi: il diidrossiacetonfosfato (DAP). La via metabolica che collega la glicolisi alla biosintesi dei trigliceridi rappresenta la via di conversione degli zuccheri in grassi, via metabolica particolarmente attiva nel fegato e nel tessuto adiposo. La lipogenesi e la conversione degli zuccheri in grassi è stimolata dall’insulina. L’insulina infatti, nel tessuto adiposo, facilita il trasporto del glucosio attraverso l’induzione dell’aumento del numero di trasportatori (GLUT4) nella membrana cellulare; determina una maggiore captazione degli acidi grassi esogeni attraverso l’induzione della sintesi della lipoprotein lipasi (cap. VIII) che catalizza l’idrolisi dei trigliceridi contenuti nelle lipoproteine plasmatiche; stimola la sintesi ex novo degli acidi grassi; inibisce la lipolisi, in quanto riduce l’ attività della lipasi ormono-sensibile o adipolitica (cap. IX).

La funzione di riserva energetica dei trigliceridi. La elevata resa energetica dei lipidi deriva dal basso contenuto in ossigeno della molecola degli acidi grassi...