LIPIDI

I lipidi, che nel loro complesso costituiscono più del 10% del peso

corporeo, assolvono funzioni diverse:

Funzione energetica

Protezione termica

Funzione strutturale

Funzione bioregolatoria

Nel corso dell’evoluzione i lipidi sono stati scelti come le molecole più adatte per il deposito dell’energia perchè:

1) Gli acidi grassi (costituiscono il 95% dei triacilgliceroli) sono composti altamente ridotti e possono fornire molta energia con la loro ossidazione con elevata resa energetica (9 Kcal/g contro le 4 Kcal/g di glucidi e proteine)

2) I triacilgliceroli insolubili in acqua si raccolgono in gocciole oleose a formare una fase separata priva di acqua, che non aumenta l’osmolarità del citosol.

In uno spazio ristretto si possono accumulare molte più molecole lipidiche di quanto sarebbe possibile se le molecole prescelte fossero i carboidrati con la loro acqua di idratazione. Elevato rapporto “energia depositata/peso del deposito” per la loro scarsa idratazione (11 Kg di trigliceridi dovrebbero essere 66 Kg di glucogeno)

3) Gli acidi grassi non sono molecole reattive e consentono un deposito anche per tempi lunghi.

Riserve di un uomo normale di 70 Kg:100.000 Kcal in trigliceridi

25.000 Kcal in proteine (soprattutto muscolari)1.600-2.000 Kcal nel glicogeno

Funzione energetica

Metabolismo degli acidi grassi

La funzione energetica dei lipidi si esplica nell’ossidazione degli acidi grassi

La gran parte dei trigliceridi è depositata nel tessuto adiposo che, idrolizzandoli, fornisce energia ad altri tessuti, sotto forma di acidi grassi

Il processo di ossidazione degli acidi grassi è detta: beta ossidazione mitocondriale

L’ossidazione degli acidi grassi può essere

di tipo α, β ed ω.

L’ α-ossidazione si ha nei perossisomi ,

la ω-ossidazione si ha nel reticolo endoplasmatico

la β-ossidazione si verifica sia nei perossisomi che nei mitocondri

LA PIU’ IMPORTANTE E’ LA β–OSSIDAZIONE MITOCONDRIALE PERCHE’ E’ L’UNICA AD ESSERE ACCOPPIATA CON LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA.

(ac. Grassi C>10)

(ac. Grassi C<10)

Catena dispari

Catena pari

Ox degli ac.grassi

polinsaturiSono richieste ISOMERASI (C16:1) Sono richieste ISOMERASI (C16:1)

e EPIMERASI (C 18:2)e EPIMERASI (C 18:2)

Perossisomi

Matrice mitocondriale

Matrice mitocondriale

Matrice mitocondriale

- ossidazione

- ossidazione Matrice

-ossidazioneReticolo

endoplasmatico

Via secondaria Via secondaria per azione degli enzimi per azione degli enzimi

IDROSSILASIIDROSSILASI,(monossigenasi) ,(monossigenasi) citocromo P450 dipendenticitocromo P450 dipendenti

Acido fitanicoAcido fitanico

Le fonti principali di acidi grassi per la beta-ossidazione sono:

la dieta (esogeni) e

le riserve cellulari (endogeni) (essenzialmente trigliceridi negli adipociti).

• Gli acidi grassi della dieta vengono trasportati sotto forma di trigliceridi tramite i chilomicroni, dapprima attraverso il circolo linfatico e poi ematico, dall'intestino agli organi, dove i trigliceridi vengono  idrolizzati da specifiche lipoprotein-lipasi ad acidi grassi e glicerolo.

• Nei tessuti epatico, adiposo e muscolare le cellule procedono al loro utilizzo o al loro deposito.

• In particolare negli adipociti gli acidi grassi sono immagazzinati sottoforma di esteri: trigliceridi.

•Gli acidi grassi prodotti nel fegato dai carboidrati, e in eccesso alle richieste energetiche, sono utilizzati per formare i trgliceridi che vengono trasportati dalle VLDL al tessuto adiposo.

I trigliceridi degli adipociti vengono idrolizzati dalla lipasi ormono-sensibile nelle fasi di digiuno ed esercizio fisico (glucagone ed adrenalina) ad acidi grassi e monoacilgliceroli; l’ulteriore idrolisi dei monoacilgliceroli a glicerolo ed acidi grassi è catalizzata probabilmente da una più specifica e attiva monoglicerolo-lipasi anche se la lipasi ormono-sensibile è anch’essa in grado di operare questa conversione.

.

Il glicerolo e gli acidi grassi escono liberamente dall’adipocita attraverso la membrana plasmatica.

Il glicerolo verrà trasportato al fegato, in cui sarà riconvertito a glucosio (gluconeogenesi).

Gli acidi grassi liberi sono trasportati agli organi complessati all'albumina.

Giungeranno ai diversi organi, ove verranno ossidati: muscolo scheletrico, cuore, fegato,

I triacilgliceroli sono riserve di energia molto concentrate essendo ridotti ed anidri.

La completa ossidazione degli acidi grassi è caratterizzata da una resa energetica pari a circa 9 kcal/g, quasi doppia rispetto alle circa 4 kcal/g dei carboidrati e delle proteine.

Fotografia al microscopio elettronico di un adipocitaFotografia al microscopio elettronico di un adipocita

Grande deposito Grande deposito di trigliceridi di trigliceridi

circondato da una circondato da una piccola striscia di piccola striscia di

citoplasma.citoplasma.

Mobilizzazione dei triacilgliceroliMobilizzazione dei triacilgliceroli

Azione delle lipasi pancreaticheAzione delle lipasi pancreatiche

nel muscolo e nel tessuto adiposonel muscolo e nel tessuto adiposo

ApoC-II

CATABOLISMO DEI TRIGLICERIDI

pag. 22

ACIDI GRASSI GLICEROLO

citoplasma mitocondrio

beta-ossidazione

TRIGLICERIDI

trigliceride lipasi

ACETIL - CoA

glicolisi

carnitina

ACIDI GRASSI

sottoposta a regolazione ormonale

-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

pag. 27

-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

La -ossidazione è l'insieme dei processi che hanno luogo sul carbonio in al carbonile.

Il primo enzima del processo è l'acil coenzima A deidrogenasi che si trova sulla membrana mitocondriale interna e ha come cofattore il

FAD che si riduce a FADH2 e cede il suo potere riducente al coenzima Q (catena respiratoria);

l'acil coenzima A deidrogenasi catalizza la reazione:

Acil-coenzima A enoil -coenzima A

(trans 2,3 enoil coenzima A; molecola α- insatura; alchene)

La -ossidazione è l'insieme dei processi che hanno luogo sul carbonio in al carbonile.

Il primo enzima del processo è l'acil coenzima A deidrogenasi che si trova sulla membrana mitocondriale interna e ha come cofattore il

FAD che si riduce a FADH2 e cede il suo potere riducente al coenzima Q (catena respiratoria);

l'acil coenzima A deidrogenasi catalizza la reazione:

Acil-coenzima A enoil -coenzima A

(trans 2,3 enoil coenzima A; molecola α- insatura; alchene)

Ossidazione degli acidi grassi saturiAcil-CoA deidrogenasi ha tre isozimi:VLCAD agisce su acidi grassi da 12 a 18 atomi di carbonioMCAD agisce su catene da 4 a 14 atomi di carbonioSCAD agisce su acidi grassi da 4 a 8 atomi di carbonioLe ultime tappe di questa sequenza sono catalizzate da due gruppi di enzimi a seconda della lunghezza delle catene degli acidi grassi.Per gli acidi grassi con 12 o più atomi di carbonio le reazioni sono catalizzate dalla proteina trifunzionale, TFP.Quando TFP ha accorciato la catena dell’acido grasso fino a 12 atomi di carbonio, l’ulteriore ossidazione viene catalizzata da un gruppo di quattro enzimi presenti nella matrice mitocondriale.

Ossidazione degli acidi grassi saturiAcil-CoA deidrogenasi ha tre isozimi:VLCAD agisce su acidi grassi da 12 a 18 atomi di carbonioMCAD agisce su catene da 4 a 14 atomi di carbonioSCAD agisce su acidi grassi da 4 a 8 atomi di carbonioLe ultime tappe di questa sequenza sono catalizzate da due gruppi di enzimi a seconda della lunghezza delle catene degli acidi grassi.Per gli acidi grassi con 12 o più atomi di carbonio le reazioni sono catalizzate dalla proteina trifunzionale, TFP.Quando TFP ha accorciato la catena dell’acido grasso fino a 12 atomi di carbonio, l’ulteriore ossidazione viene catalizzata da un gruppo di quattro enzimi presenti nella matrice mitocondriale.

Malattie metaboliche ereditarieIl più comune difetto genetico del catabolismo degli acidi grassi nella popolazione caucasica è causato da una mutazione nel gene che codifica per la acil-CoA deidrogenasi a catena intermedia (MCAD).La patologia è associata a ricorrenti episodi caratterizzati da un accumulo di grassi nel fegato, ipoglicemia, sonnolenza vomito e coma.Nella prima infanzia la mortalità per questa malattia varia dal 25% al 60%.Se il difetto genetico viene diagnosticato tempestivamente dopo la nascita si ricorre ad una terapia alimentare a basso contenuto di acidi grassi ed elevato contenuto di carboidrati.

Malattie metaboliche ereditarieIl più comune difetto genetico del catabolismo degli acidi grassi nella popolazione caucasica è causato da una mutazione nel gene che codifica per la acil-CoA deidrogenasi a catena intermedia (MCAD).La patologia è associata a ricorrenti episodi caratterizzati da un accumulo di grassi nel fegato, ipoglicemia, sonnolenza vomito e coma.Nella prima infanzia la mortalità per questa malattia varia dal 25% al 60%.Se il difetto genetico viene diagnosticato tempestivamente dopo la nascita si ricorre ad una terapia alimentare a basso contenuto di acidi grassi ed elevato contenuto di carboidrati.

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-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

Il secondo enzima della -ossidazione è: enoil coenzima A idratasi

che catalizza la reazione:

enoil coenzima A L- idrossi acil coenzima A questo enzima è assolutamente stereospecifico per l'isomero L- idrossi acil coenzima A

Il secondo enzima della -ossidazione è: enoil coenzima A idratasi

che catalizza la reazione:

enoil coenzima A L- idrossi acil coenzima A questo enzima è assolutamente stereospecifico per l'isomero L- idrossi acil coenzima A

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-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

La reazione successiva è catalizzata dalla L- idrossi acil coenzima A deidrogenasi (enzima NAD dipendente):

L-idrossi acil-coenzima A -cheto acil-coenzima A

contemporaneamente avviene la riduzione del NAD+ a NADH

pag. 35

-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

Infine, interviene una tiolasi (-cheto acil coenzima A tiolasi)

il coenzima A funge da agente litico: si forma un frammento a due atomi di carbonio (cioè l'acetil coenzima A)

il rimanente scheletro carbonioso è un acil-coenzimaA con due atomi di carbonio in meno rispetto a quello di partenza

L'acil-coenzimaA ottenuto con la -ossidazione, ripete il processo finché non si ottiene solamente acetil-coenzima A.

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-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI (mitocondrio)

pag. 38

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

COOH

CO S-CoA

CoA-SH

ACETIL-CoA NADH+H+ FADH2

ACETIL-CoA NADH+H+ FADH2

CoA

ACETIL-CoA NADH+H+ FADH2

ACETIL-CoA NADH+H+ FADH2

3 ATP 2 ATPCICLO DI KREBS

ATP

CH3

COO-

CoA

CH3

COO-

CH3

COO-

CH3

COO-

CoA

CoA

CH3

CoA

ACETIL-CoA NADH+H+ FADH2

COO-

-OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

Regola generale: quando la deidrogenazione avviene tra due atomi adiacenti con elevata differenza di affinità elettronica, il cofattore dell'enzima deidrogenasi, è quasi sempre il NAD

se la deidrogenazione si ha tra due atomi adiacenti con bassa differenza di affinità elettronica, il cofattore è il FAD

Regolazione della degradazione di acidi grassi1. Sito di controllo primarioCarnitina aciltransferasi I blocca l’ingresso degli Acil-Coa nei mitocondri. E’ inibita dal malonil-CoA, uno dei primi intermedi della sintesi degli acidi grassi.2. Siti di controllo secondarioQuando il rapporto NADH/NAD+ è elevato, la beta-idrossiacil-CoA deidrogenasi viene inibita. Concentrazioni elevate di acetil-CoA inibiscono la tiolasi.3. Regolazione a lungo termineLa famiglia dei recettori nucleari PPAR comprende fattori di trascrizione che regolano molti processi metabolici. PPAR alfa agisce nel muscolo, nel tessuto adiposo e nel fegato dove attiva una serie di geni essenziali per la beta ossidazione.

Regolazione della degradazione di acidi grassi1. Sito di controllo primarioCarnitina aciltransferasi I blocca l’ingresso degli Acil-Coa nei mitocondri. E’ inibita dal malonil-CoA, uno dei primi intermedi della sintesi degli acidi grassi.2. Siti di controllo secondarioQuando il rapporto NADH/NAD+ è elevato, la beta-idrossiacil-CoA deidrogenasi viene inibita. Concentrazioni elevate di acetil-CoA inibiscono la tiolasi.3. Regolazione a lungo termineLa famiglia dei recettori nucleari PPAR comprende fattori di trascrizione che regolano molti processi metabolici. PPAR alfa agisce nel muscolo, nel tessuto adiposo e nel fegato dove attiva una serie di geni essenziali per la beta ossidazione.

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Ac. Grasso + corto di 2atomi di C

Ciclo della Ciclo della -ossidazione-ossidazione

(C16:0)(C16:0)

OSSIDAZIONEOSSIDAZIONE

OSSIDAZIONEOSSIDAZIONE

IDRATAZIONEIDRATAZIONE

TIOLISITIOLISI

viene riossidato dalla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale:PRODUCE 2 ATPPRODUCE 2 ATP

Ac. Grassi a Catena pari

Degradazione degli acidi grassi a gruppi di unità

bicarboniose per volta, il residuo rientra nel ciclo fino alla completa degradazione.

Ciclo della Ciclo della -ossidazione-ossidazione

(C16:0)(C16:0)

Ad ogni cicloAd ogni ciclo l’acido palmitico l’acido palmitico

perde 2 atomi di C sottoforma di Acetil-perde 2 atomi di C sottoforma di Acetil-CoACoA

Prodotto finale della -ossidazione:-ossidazione:

Acetil-CoA (Ac.grassi catena pari)Acetil-CoA (Ac.grassi catena pari)

Propionil-CoA + Acetil-CoA (Ac. Grassi catena dispari)Propionil-CoA + Acetil-CoA (Ac. Grassi catena dispari)

Ciclo Ciclo di Krebsdi Krebs

- - ossidazioneossidazione

Prodotto finale Prodotto finale del ciclodel ciclo

Propionil-CoAPropionil-CoA

Ac. Grassi a Catena dispari

Via catabolica Via catabolica

del del

Propionil-CoAPropionil-CoA

Un’attività difettosa dell’enzima determina un accumulo di L-metilmalonil-CoA che esce dalle cellule sottoforma di Acido, metilmalonico ACIDOSI (pH ematico ) Danno al SNCDanno al SNC (Acidemia metilmalonica)(Acidemia metilmalonica)

Terapia: Ingente somministrazione di Vitamina B12 che sembra attivare la metilmalonil-CoA mutasi.

Distribuzione e fabbisognoDistribuzione e fabbisogno

La vitamina BLa vitamina B1212 è sintetizzata esclusivamente dai microrganismi. è sintetizzata esclusivamente dai microrganismi.

Nell’uomo la sintesi di BNell’uomo la sintesi di B1212 operata dai batteri intestinali è del tutto insufficiente, operata dai batteri intestinali è del tutto insufficiente,

per cui per cui la vitamina deve essere introdotta con la dietala vitamina deve essere introdotta con la dieta..

Particolarmente ricchi di BParticolarmente ricchi di B1212 sono il fegato ed rene. sono il fegato ed rene.

La carne, il latte, il formaggio e le uova contengono quantità modeste diLa carne, il latte, il formaggio e le uova contengono quantità modeste di

vitamina, mentre gli alimenti di origine vegetale non contengonovitamina, mentre gli alimenti di origine vegetale non contengono

tale vitamina.tale vitamina.

La sua carenza nell’uomoLa sua carenza nell’uomo ha come principale manifestazione ha come principale manifestazione

l’anemial’anemia perniciosa,perniciosa, caratterizzata in circolo dalla presenza di elementi caratterizzata in circolo dalla presenza di elementi

immaturi della serie eritrocitaria.immaturi della serie eritrocitaria.

In più, la In più, la degenerazione delle fibre nervose e altre anomalie del degenerazione delle fibre nervose e altre anomalie del

sistema nervoso.sistema nervoso.

Anemia perniciosaAnemia perniciosa

Solo eccezionalmente causata da carenza di vitamina nella dieta, Solo eccezionalmente causata da carenza di vitamina nella dieta,

è generalmente causata da un blocco del suo assorbimento intestinaleè generalmente causata da un blocco del suo assorbimento intestinale

(avitaminosi condizionata) per assenza(avitaminosi condizionata) per assenza

di una specifica glicoproteina del succo gastrico,di una specifica glicoproteina del succo gastrico,

detta “Fattore intrinseco di Castle”,detta “Fattore intrinseco di Castle”,

che ha il compito di legare la vitamina, trasportarla all’ileo, che ha il compito di legare la vitamina, trasportarla all’ileo,

legarsi a siti specifici presenti sui microvilli ed legarsi a siti specifici presenti sui microvilli ed

immetterla negli eritrociti per azione un fattore di rilascio. immetterla negli eritrociti per azione un fattore di rilascio.

Gli elettroni liberatisi durante il

ciclo ossidativo vengono trasferiti

alla catena respiratoria

mitocondriale per la formazione

dell’ATP utilizzando sistemi FAD- e

NAD- dipendenti

(trasporto elettronico).

Benchè la maggior parte della ossidazione degli acidi grassiBenchè la maggior parte della ossidazione degli acidi grassi

abbia luogo nei mitocondri, una parte di essa ha abbia luogo nei mitocondri, una parte di essa ha

luogo anche in organelli cellulari dettiluogo anche in organelli cellulari detti

P E R O S S I S O M I ,P E R O S S I S O M I ,

caratterizzati da elevate concentrazioni dell’enzima caratterizzati da elevate concentrazioni dell’enzima CatalasiCatalasi,,

che catalizza la dismutazione del perossido di idrogeno che catalizza la dismutazione del perossido di idrogeno

in acqua ed ossigeno molecolarein acqua ed ossigeno molecolare..

nb. nb. L’ossidazione degli acidi grassi che, L’ossidazione degli acidi grassi che, in questi organelliin questi organelli,,

si arresta a livello dell’ottanil CoA,si arresta a livello dell’ottanil CoA,

può servire ad accorciare le lunghe catene per renderle migliori può servire ad accorciare le lunghe catene per renderle migliori

substrati della substrati della ossidazione. ossidazione.

Fotografia al microscopio elettronico di un Fotografia al microscopio elettronico di un perossisoma in un epatocitaperossisoma in un epatocita

L’organello contiene un L’organello contiene un cristallo di urato cristallo di urato

ossidasi ed ossidasi ed è circondato da una è circondato da una singola membrana singola membrana

bistratificata.bistratificata.

Le strutture granulari Le strutture granulari scure all’esterno del scure all’esterno del perossisoma sono perossisoma sono

particelle di glicogeno.particelle di glicogeno.

(ottanil-CoA)(ottanil-CoA)

Prima tappa della degradazione degli acidi grassi nei perossisomiPrima tappa della degradazione degli acidi grassi nei perossisomi

La La -ossidazione -ossidazione perossisomialeperossisomiale

Benchè la maggior parte della ossidazione degli acidi grassi abbia luogo nei Benchè la maggior parte della ossidazione degli acidi grassi abbia luogo nei

mitocondri, una parte di essa ha luogo anche in organelli cellulari detti mitocondri, una parte di essa ha luogo anche in organelli cellulari detti

PEROSSISOMIPEROSSISOMI, caratterizzati da elevate concentrazioni dell’enzima , caratterizzati da elevate concentrazioni dell’enzima Catalasi,Catalasi, che che

catalizza la dismutazione del perossido di idrogeno in acqua ed ossigeno catalizza la dismutazione del perossido di idrogeno in acqua ed ossigeno

molecolare.molecolare.

Negli animali la -ossidazione perossisomiale serve ad accorciare acidi grassi a -ossidazione perossisomiale serve ad accorciare acidi grassi a

catena molto lunga (C>18-22), i quali entrano poi nel sistema della catena molto lunga (C>18-22), i quali entrano poi nel sistema della --

ossidazione mitocondriale per essere degradati.ossidazione mitocondriale per essere degradati.

Gli acidi grassi a lunga catena diffondono nel perossisoma senza richiedere la CARNITINA.

L’attivazione avviene ad opera di una Acil-CoA sintetasi a lunga catena.

1° OX diversa

La tiolasi si blocca se presenti acil-CoA con catena C8 o minore

si arresta a livello dell’Ottanil CoAsi arresta a livello dell’Ottanil CoA

Acil- CoA

Come cofattore è stato usato il FAD, ma gli elettroni sottratti vengono trasferiti direttamente

all’O2 invece che passare attraverso la catena respiratoria e fosforilazione ossidativa. Quindi

rispetto all’ossidazione mitocondriale per ogni ciclo si producono in meno 2 ATP

Ossidazione a trans Ossidazione a trans -enoil-CoA (I Step)-enoil-CoA (I Step)

- - ossidazione e la sindrome di Refsumossidazione e la sindrome di Refsum

Degradazione degli acidi grassi per eliminazione di un carbonio alla volta dall’estremità carbossilica della molecola.

Avviene nei tessuti cerebrali e non richiede CoA e non forma fosfati ad alta energia

Ossidazione avviene in posizione su acidi grassi con ramificazioni in posizione dispari L’-ossidazione è stata scoperta studiando pazienti affetti da Sindrome di Refsum: Sindrome di Refsum: una malattia neurologica molto rara e grave dovuta ad accumulo di Acido FitanicoAcido Fitanico derivante dal FitoloFitolo, costituente della clorofilla e abbondante nei vegetali e nei cibi derivati dagli erbivori (prodotti lattiero-casearei)

--ossidazione ossidazione

Il gruppo CHIl gruppo CH33 in posizione 3 in posizione 3 impedisce la impedisce la -ox-ox

--ossidazione ossidazione

ACIDO PRISTANICOACIDO PRISTANICO

Riprende la Riprende la -ossidazione-ossidazione

NON Riprende la NON Riprende la -ossidazione-ossidazione

--ossidazione e ossidazione e malattia di malattia di

RefsumRefsum

Via difettosa nella sindrome di Refsum. Quindi non si forma ac.pristanico

Terapia:Terapia: dieta senza

ω-ossidazione

La ω-ossidazione i cui enzimi sono presenti nel reticolo endoplasmatico del fegato e del rene è una via solitamente poco praticata nei mammiferi ma diventa importante quando la β per mutazione o carenza di carnitina funziona male.

Nella prima tappa viene inserito un gruppo ossidrilico e l’ossigeno di questo gruppo proviene dall’O2 molecolare per azione di una ossidasi a funzione mista P450 e NADPH dipendente.

Sul carbonio ω intervengono altri due enzimi l’alcol deidrogenasi, che ossida il gruppo ossidrilico ad aldeide, e l’aldeide deidrogenasi che ossida il gruppo aldeidico ad acido generando un acido grasso con doppia estremità carbossilica, ognuna delle quali può legare il CoA, ora la molecola può entrare nel mitocondrio dove subisce una normale βossidazione.