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

COLESTEROLO scoperto nel 1784 nei calcoli biliari 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

ALCOL Gruppo alcolico esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

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) BIOSINTESI 700-900 mg/die in tutti i tessuti (fegato, intestino, pelle TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die COLESTEROLO TOTALE  100 g  5 % ematico, 95 % cellulare

FUNZIONI EFFETTI DANNOSI 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

omeostasi epatica studiata da oltre 30 anni 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 circolo recettori per le lipoproteine

the decision letter from Associate Editor Eugene Kennedy: - 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.

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

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

BIOSINTESI Acetil CoA mitocondriale - piruvato (da glucosio) - -ossidazione acidi grassi esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato citrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi ossalacetato + NADH  malato + NAD+ malato + NADP+ + H2O + enzima malico  piruvato + HCO3- + NADPH + H+ NADPH + H+ - via dei pentosi fosfati (glucosio) - enzima malico ATP fosforilazione ossidativa

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

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

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

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

ALTRE BIOSINTESI tRNASec selenoproteine 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 ormoni vitamina D Antiossidante lipofilo Trasporto elettroni mitocondriale acidi biliari membrane

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

REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ DELLA HMG~CoA REDUTTASI

sotto il controllo dei livelli cellulari di colesterolo via principale 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

sono i composti più efficaci per STATINE Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi HO HO COO- COO- R = CH3 X= H lovastatina R = CH3 X= CH3 simvastatina H3C X O OH OH 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) anti-infiammatori anti-aggreganti miopatia (coenzima Q? canali ionici? proossidante e perossidazione lipidica? apoptosi?) neuropatia, disturbi intestinali effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo

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

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 HMG~CoA reduttasi 2 DOMINI I. DEGRADAZIONE (emivita 3 h) dominio sensibile agli steroli “sterol-sensing domain” in presenza di alti livelli di colesterolo degradata dal sistema ubiquitina- proteasoma

BIOSINTESI: regolazione trascrizionale tramite i 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 biosintesi di trigliceridi SRE-BP2 biosintesi di colesterolo e recettori LDL

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 N-terminale - forma solubile attiva nucleare S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2 cytosol ER GOLGI Bassi livelli di colesterolo Complesso SCAP-SREBP

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

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

CATABOLISMO

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

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

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

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