METABOLISMO DEL COLESTEROLO

1. Università di Roma TOR VERGATA CL in Medicina Biochimica (Prof L. Avigliano) METABOLISMO DEL COLESTEROLO

2. 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 per le sue funzioni Medici collegata ad aterosclerosi ed infarto

3. ALCOL Gruppo alcolico esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

4. Colesterolo deriva dalla DIETA presente soltanto 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) BIOSINTESI700-900 mg/die in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die COLESTEROLO TOTALE  100 g  5 % ematico, 95 % cellulare

5. FUNZIONI • strutturale • Supporto strutturale e carattere idrofobico alle membrane • 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 • Stretta correlazione fra livelli di colesterolo ematico e rischio di malattia coronarica

6. FEGATO: organo primario nella omeostasi del colesterolo omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni biosintesi enzima chiave HMGCoA reduttasi catabolismo enzima chiave colesterolo 7 idrossilasi captazione dal circolorecettori per le lipoproteine

7. Michael Brown e Joseph Goldstein Univ of Texas - Nobel Prize 1985 JBC classic 2006 vol 281 N.31 the decision letter from Associate Editor Eugene Kennedy: - It is my considered opinion that publication of this paper would not serve medical science neither would it earn credit in the long run to its authors The paper, the basis of the Nobel Prizes awarded to Brown and Goldstein, was eventually accepted. In elegant and systematic studies you have discovered a physiological mechanism of great importance: the way in which mammalian cells strive to establish an equilibrium between their own synthesis of cholesterol and the cholesterol they obtain from the circulating blood influenced by diet. You have also demonstrated something else: how successful cooperation can be a principle that should perhaps be more widely applied, both in science and in other areas of human endeavour.

8. CH3 I 3HC-C=CH-CH3 acetato isoprene polimerizzazione terpene

9. STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA acetilCoA ATP, NADPH C I RETICOLO ENDOPLASMATICO isoprene (5 atomi di carbonio) C-C=C-C polimerizzazione CH2 squalene (30 atomi di carbonio) CH2 O2 3HC CH3 CH3 lanosterolo Prodotto di ciclizzazione (30 atomi di carbonio) CH3 HO H CH3 CH3 O2 NADPH 3HC CH3 CH3 colesterolo (27 atomi di carbonio) HO

10. BIOSINTESI Acetil CoAmitocondriale - piruvato (da glucosio) - -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  malato + NAD+ malato + NADP+ + H2O + enzima malico piruvato + HCO3- + NADPH + H+ ATPfosforilazione ossidativa

11. 2NADPH + H+ 2NADP+ CoA-SH CoA-SH COO- COO- CO-S-CoA + CH3 HMG~CoA sintasi HMG ~CoA reduttasi CH2 CH2 * CH3 C=O * HO-C-CH3 HO-C-CH3 CH2 CH2 CH2 CO -S-CoA CH2O H CO -S-CoA mevalonato idrossimetil glutaril ~ CoA (HMG~CoA) acetil CoA acetoacetil CoA 1. Conversione di 3 composti C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevalonato) HMG~CoA reduttasi PUNTO DI CONTROLLO DEL PROCESSO BIOSINTETICO

12. ATP ATP ADP ADP COO- COO- COO- mevalonato chinasi fosfomevalonato chinasi CH2 CH2 CH2 HO-C-CH3 HO- C-CH3 HO- C-CH3 CH2 CH2 CH2 CH2O H CH2-O-PO3H– CH2-O-P~P mevalonato 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato CH3 I ATP CH2 II ADP + Pi CO2 C - CH3 C - CH3 fisfomevalonato decarbossilasi isopentenilpirofosfato isomerasi CH CH2 CH2-O-P ~P CH2-O-P ~P 3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato 2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato) Tre tappe di fosforilazione con il consumo di 3 ATP

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

14. Squalene epossido ciclasi  19 reazioni (NADPH e O2)   lanosterolo 4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo O2 NADP+ NADPH + H+ Squalene epossidasi H2O H+ squalene squalene epossido rimozione 3 metili (due in C4 ed uno in C14) come CO2 saturazione doppio legame (catena laterale) spostamento doppio legame (8,9  5,6)

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

16. fosfolipidi colesterolo libero (non esterificato) TG esteri del colesterolo apoB100 LDL Alti livelli ematici associati a rischio di malattia cardiovascolare Border line 130-159 mg/dL Il colesterolo importato blocca la sintesi di altro colesterolo e del recettore

17. REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ DELLA HMG~CoA REDUTTASI

18. VARIAZIONI d’ATTIVITA’ dell’HMGCoAR FINO A 200 VOLTE I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto mevalonato  farmaci (statine) II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione che dipende dallo STATO ENERGETICO DELLA CELLULA forma non fosforilata più attiva forma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente (AMPK) ATP/AMP ≈ 50 piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP] calo in [ATP]  calo nella sintesi di colesterolo e ac. grassi III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesi sotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo via principale

19. STATINE effetti positivio negativi a prescindere dal colesterolo miopatia(coenzima Q? canali ionici? proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi?) neuropatia, disturbi intestinali anti-infiammatori anti-aggreganti Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi HO HO COO- COO- R = CH3 X= H lovastatina R = CH3 X= CH3 simvastatina H3C OH O OH X O CH3 CH3 R sono i composti più efficaci per  livelli di LDL (~ 50%)  sintesi colesterolo  sintesi del recettore per le LDL (effetti modesti  HDL)

20. REGOLAZIONE dei 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

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

22. BIOSINTESI: regolazione trascrizionale tramite ifattori di trascrizione Sterol Regulatory Element - Binding Protein SRE-BP Legano sequenze SRESterol Regulatory Element presenti nel promotore di geni coinvolti nella biosintesi di acidi grassi e colesterolo 2 isoforme sintetizzate da due distinti geni SRE-BP1c biosintesi di trigliceridi SRE-BP2 biosintesi di colesterolo e recettori LDL

23. SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCoA-R) SENSORE DEL COLESTEROLO Alti livelli colesterolo - Interazione Insig - SCAP e blcco di SREBP - nel RE cytosol ER N-terminale - forma solubile attiva nucleare cytosol GOLGI S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2 Bassi livelli di colesterolo Complesso SCAP-SREBP

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

25. 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

26. Regolazione epatica intermediate-density lipoprotein IDL • SATURAZIONE RECETTORE • CALORIE TOTALI  TRIGLICERIDI •  COLESTEROLO •  DIETA IPOCALORICA •  DIGIUNO

27. CATABOLISMO

28. NADP NADPH O2 H2O 7-idrossilasi (CYP7A1) Idrossilato in C3, C7, C12 7-idrossilasi SALI BILIARI. Prodotti del CATABOLISMO acido taurocolico Funzione nell’assorbimento dei lipidi R.E. Colesterolo7 -idrossicolesterolo • CYP7A1 • indotta da colesterolo alimentare • inibita da sali biliari

29. ORMONI STEROIDEI COLESTEROLO C27  PREGNENOLONE C21  PROGESTERONE C21 ANDROGENI C19 GLUCORTICOIDI C21 cortisolo MINERALCORTICOIDI C21 aldosterone ESTROGENI C18

30. O2 NADPH + H+ NADP colesterolo 20,22 diidrossi colesterolo cit P450 Fe- S FAD reduttasi FADH2 CH3 H2O I C=O OH OH 3HC CH3 I I I CH–CH2–CH2–CH2–CH–CH3 CH3 I CH3 I I CH3 I CH3 desmolasi I HO HO I. NAD+ deidrogenasi II. 4,5 isomerasi pregnenolone + aldeide isocaproica progesterone

31. CH3 I C=O I glucocorticoidi (C21) cortisolo CH2-OH I C=O I progesterone (C21) CH3 I CH3 I HO OH I CH3 I CH3 I CH3 I = O = O OH I CH3 I OH I CH3 I CH3 I = O I HO androgeni (C19) testosterone estrogeni (C18) estradiolo