Biosintesi degli Acidi Grassi

Processo attivo in presenza di buona alimentazione, con introduzione di zuccheri, proteine e scarsamente di lipidi.
b-ossidazione e biosintesi degli acidi grassi sembrano uno l’inverso dell’altra, dal punto di vista di consumo d’energia, poiché nel primo si sintetizzano molte molecole di acetil-CoA, nella seconda si utilizzano.

Sussistono però delle differenze importanti:

  • Localizzazione: la b-ossidazione avviene nei mitocondri, la biosintesi nel citoplasma
  • Gli acidi grassi, nella b-ossidazione, sono legati a un CoA: si parla infatti di acil-CoA, la biosintesi avviene invece sull’acido grasso sintetasi, un complesso multienzimatico, caratterizzato dalla presenza di due gruppi -SH funzionali (uno derivato di una cisteina e uno di una fosfopantoteina).
  • L’aggiunta di unità dicarboniose per sintetizzare l’acido grasso non avviene partendo dall’acetil-CoA, ma da una sua forma attivata, il malonil-CoA.
  • I coenzimi di ossidoriduzione sono diversi: nella b-ossidazione usiamo FAD e NAD, nella biosintesi NADP ridotto.

La sintesi di acidi grassi avviene con l’introduzione di zuccheri. Arriva un carico di zuccheri a livello del fegato e l’insulina promuove l’utilizzo del glucosio: la glucochinasi aumenta di concentrazione, la glicolisi viene attivata (anche la PFK1 è sotto il controllo dell’insulina) e si forma piruvato. Una volta nel mitocondrio il piruvato ci dà acetil-CoA, il cui eccesso va in un primo momento nel ciclo di Krebs, poi saturando si accumula a causa dell’alto carico energetico e tende ad uscire dall’organulo. Quando abbiamo un accumulo di acetil-CoA a partire da b-ossidazione, la sua unica possibilità è di diventare corpo chetonico. Se invece ottengo acetil-CoA dagli zuccheri il suo accumulo attiva un enzima mitocondriale, la piruvato carbossilasi, e inibisce la piruvato deidrogenasi: si viene a creare un equilibrio fra acetil-CoA ed ossalacetato.
Il piruvato che deriva dagli zuccheri viene trasformato in ossalacetato (con la piruvato carbossilasi), che si lega all’acetil-CoA (formatosi con la piruvato deidrogenasi) ed esce come citrato. Gli acidi grassi danno solo acetil-CoA quindi non ho la possibilità di formare ossalacetato. Il segreto sta quindi nel piruvato che proviene dagli zuccheri, che può fornire sia acetil-CoA sia ossalacetato. Se ho la b-ossidazione questa mi da solo acetil-CoA, questo si accumula e non può condensarsi, mentre l’ossalacetato va nella gluconeogenesi.

Il citrato si forma in condizioni di buona alimentazione dalla condensazione di acetil-CoA e ossalacetato (citrato sintasi) provocando il rallentamento del ciclo di Krebs . Il citrato accumulando nel mitocondrio può legarsi al trasportatore ed esce nel citoplasma dove incontra la citrato liasi, che in presenza di ATP e CoA torna a formare acetil-CoA e ossalacetato. Per la sintesi degli acidi grassi noi usiamo l’acetil-CoA, quindi l’ossalacetato deve essere riciclato per ridare il trasportatore: poiché è privo di trasportatore interviene la malico deidrogenasi che, in presenza di NAD ridotto, dà malato, che ha un antiporto e può essere riportato nel mitocondrio, scambiandosi con l’a-chetoglutarato. (Una carica negativa entra e un’altra esce). Il malato, rientrando nel ciclo di Krebs, viene poi trasformato in ossalacetato, che porterà fuori altro acetil-CoA. Il malato si porta dietro equivalenti riducenti del NAD ridotto che possono essere portati all’interno della catena respiratoria.

Il malato nel citoplasma può andare incontro anche ad un’altra reazione, catalizzata dall’enzima malico malato deidrogenasi: è una decarbossilazione ossidativa (NADP-dipendente) che porta alla formazione di piruvato. La reazione comporta la fuoriuscita di CO2, con la formazione di NADP ridotto, che servirà per la biosintesi degli acidi grassi. Il piruvato può tornar dentro, poi in presenza della piruvato carbossilasi si forma ossalacetato e si torna alle condizioni di prima. Riassumendo il citrato serve per portare fuori acetil-CoA, il resto della molecola può tornar dentro sottoforma di malato o di piruvato.

Se è il malato questo si carica di equivalenti riducenti della glicolisi e li cede al NADP ridotto, che serve per la sintesi degli acidi grassi, si può dire, allora, che la glicolisi stessa fornisce in modo indiretto NADPH. Per ogni acetil-CoA che si forma si forma anche un NADPH. L’altro NADPH che serve per ridurre l’acetil-CoA della sintesi degli acidi grassi si forma nella via dei pentosi.

 

La sintesi degli acidi grassi avviene con condensazione di varie molecole di acetil-CoA, non è una condensazione diretta, poiché, per essere addizionato, l’acetil-CoA ha bisogno dell’attivazione del gruppo metilico –CH3. L’attivazione consiste nella carbossilazione dell’acetil-CoA ad opera della acetil-CoA carbossilasi (ACC). Partecipano alla reazione una molecola di ATP e una vitamina, la biotina, che è legata al sito attivo dell’enzima multifunzionale, il quale ha la peculiarità di aumentare sia la resa che la velocità di reazione. Nei procarioti questa reazione avviene grazie all’intervento di tre proteine enzimatiche, che negli organismi superiori si sono condensate in acetil-CoA carbossilasi: le tre funzioni sono tuttavia rimaste.

La proteina multifunzionale aumenta la velocità di reazione e la resa (poiché il prodotto diventa subito substrato). Le tre attività sono:

  1. biotina carbossilasi: la biotina si carica della CO2 e si forma la carbossibiotina
  2. la proteina che trasporta la biotina legandola covalentemente
  • trans-carbossilasi, la carbossibiotina si sposta su questo dominio e cede la CO2 all’acetil-CoA che diventa malonil-CoA

Il CoA è costituito da una b-mercaptoetilammina dove –SH è un gruppo a cui si legano gli acidi grassi, poi c’è la parte vitaminica dell’acido pantotenico e poi un ADP. L’acetil-CoA carbossilasi è l’enzima su cui avviene il processo di regolazione di tutto il meccanismo di biosintesi degli acidi grassi.

La proteina trasportatrice di acili, l’ACP, che fa parte del grosso complesso enzimatico acido grasso sintetasi, presenta un gruppo –SH che deriva dalla fosfopantoteina. Il CoA e l’ACP sono dunque molto simili.

L’acido grasso sintasi è un enzima multifunzionale con due gruppi –SH: uno è un residuo di cisteina, l’altro è il gruppo di un residuo di fosfopantoteina legato covalentemente sull’ACP.

Questo enzima presenta tre domini funzionali:

  1. Dominio in cui è presente il gruppo –SH della cisteina, con tre enzimi:
  • Acetil-transacetilasi
  • Malonil-transacetilasi
  • Enzima condensante
  1. Dominio dove è presente l’ACP con tre attività enzimatiche:
    • Chetoacil-reduttasi
    • Idratasi
    • Enoil-reduttasi
  2. Tioesterasi, enzima che stacca l’acido palmitico alla fine della sintesi

L’enzima per funzionare deve essere un dimero che si compensa in senso antiparallelo (ad una cisteina si affaccia la fosfopantoteina) sono quindi sintetizzati due acidi grassi per volta.

Vediamo ora una serie di reazioni che servono a condensare molecole di acetil-CoA e a ridurre il gruppo chetonico che si inserisce nella molecola.

  • Esiste un enzima chiamato acetil-CoA transacetilasi, che trasferisce acetil-CoA sul gruppo –SH della cisteina, mentre un secondo enzima, la malonil-CoA transacetilasi trasferisce il malonile sul gruppo ––SH dell’ACP. A questo punto avremo l’–SH della cisteina carico dell’acetile e l’–SH dell’ACP carico del malonile. Queste due attività enzimatiche, insieme all’enzima condensante, fanno parte del dominio 1.
  • Interviene l’enzima condensante, e l’acetile si condensa sul metile della molecola che è sull’ACP, perché la CO2 introdotta ad opera dell’acetil-CoA carbossilasi serve a rendere più reattivo il gruppo –CH2, la condensazione di due acetili non sarebbe stata energeticamente possibile: il gruppo in posizione 2 è quindi reso più reattivo dalla CO2. L’acetile viene trasferito sul –CH2, se ne va una molecola di CO2 e si forma il primo composto a quattro atomi, l’acetoacetile legato alla fosfopantoteina.
  • La molecola a 4 atomi di carbonio è parzialmente ossidata, in posizione 3 è presente un gruppo chetonico, mentre gli acidi grassi sono altamente ridotti. Interviene una b-chetoreduttasi catalizzando una reazione nella quale gli equivalenti riducenti sono dati da un NADPH (il primo) all’acetoacetato che diventa b-idrossibutirrato. A questo punto interviene una deidratasi con l’uscita di una molecola di H2O, un –OH dal C3 e un –H dal C2, si forma così un composto ab-insaturo legato all’ACP. Interviene un’altra reduttasi NADPH-dipendente (il secondo NADPH per ogni acetil-CoA introdotto), si forma il butirrile, composto completamente ridotto. Ma gli acidi grassi devono avere molti carboni: deve ripetersi questo ciclo di biosintesi. Interviene un enzima che trasferisce il butirrile sulla cisteina, mentre sull’ACP finirà un altro malonile. Verrà persa una molecola di CO2 e avremo ottenuto una molecola a 6 atomi di carbonio con una funzione chetonica in β. Interverrà ora la reduttasi NADPH-dipendente, si formerà il b-idrossiderivato, verrà persa una molecola d’acqua con la deidratasi, si forma il doppio legame ab e si arriva a un composto a 6 carboni. Il processo va avanti fino alla formazione di acido palmitico.

Interviene poi il dominio 3, tioesterasi, che stacca l’acido palmitico.

Le attività enzimatiche sono troppo lontane. Essendoci però una fosfopantoteina che si affaccia alla cisteina le unità carboniose che si devono condensare sono vicine le une alle altre. Il lungo braccio mobile della pantoteina si avvicina alle varie attività enzimatiche consentendo la riduzione.

Abbiamo una regolazione allosterica, genica e covalente sull’acetil-CoA carbossilasi. L’ACC in forma attiva è polimerica.

La regolazione allosterica fa sì che l’attivatore favorisca la forma polimerica, mentre gli inibitori favoriscono la forma monomerica. Un attivatore è il citrato, che quando si accumula nel citoplasma prepara gli enzimi ad attivare gli acetil-CoA portati fuori. La regolazione negativa è data dall’acido palmitico (feedback).

Regolazione genica: l’insulina aumenta la trascrizione del gene responsabile della sintesi di ACC.

Regolazione covalente: l’enzima fosforilato è inattivo, se è defosforilato è attivo, ad agire in questi processi sono il glucagone, l’insulina ed una ricca dieta di zuccheri e proteine.

 

Regolazione della biosintesi degli acidi grassi

 Il punto di regolazione è rappresentato dall’acetilCoA carbossilasi, l’enzima che attiva l’acetilCoA introducendo una molecola di CO2 è il malonil CoA. Questo enzima è regolato da tutti i modi che si conoscono:

  1. regolazione allosterica
  2. regolazione a livello genico
  3. regolazione covalente

La regolazione allosterica è rappresentata dal prodotto finale della sintesi, cioè l’acido palmitico, che quando si accumula va ad inibire l’acetilCoA carbossilasi, mentre un accumulo di citrato (che in ultima analisi rappresenta il substrato di questo reazione, perché è la molecola che porta gli acetilCoA fuori dal mitocondrio) sta ad indicare che c’è materiale energetico in abbondanza che deve essere immagazzinato sotto forma di acili, ma soprattutto sotto forma di triacilgliceroli, quindi il citrato è un modulatore positivo. Come avevamo detto, l’enzima risulta attivo quando è sotto forma di polimero, mentre è inattivo sotto forma di monomero, e le 2 molecole che abbiamo visto, cioè l’acido palmitico e il citrato, favoriscono rispettivamente l’equilibrio verso la forma monomerica e polimerica.

C’è poi una regolazione a livello genico principalmente sotto il controllo dell’insulina, l’insulina con il suo meccanismo di adesione va a stimolare la sintesi di questo enzima, cioè dell’acetilCoA carbossilasi.

Poi c’è la regolazione covalente che è sotto il controllo dei soliti 2 ormoni:

  • gli ormoni del digiuno, glucagone e catecolamine
  • insulina

l’enzima acetilCoA carbossilasi è attivata quando è defosforilata, mentre è inattiva quando è fosforilata. Quindi gli ormoni del digiuno attraverso il loro meccanismo d’azione, che determina aumenti di cAMP, attiva la PKA e va fosforilare questo enzima rendendolo inattivo. Viceversa, l’insulina è l’ormone della buona alimentazione, soprattutto di una dieta piena di zuccheri, attiva le fosfatasi che rimuovano il gruppo fosforico e riportano l’enzima nello stato attivo.
Questi enzimi della biosintesi degli acidi grassi sono anche sotto il controllo nutrizionale, ciò vuol dire che una dieta ricca di zuccheri, e NON una dieta ricca di lipidi, aumenta la sintesi di questi enzimi, cioè gli zuccheri agiscono a livello genico aumentando la concentrazione di questi enzimi. Gli enzimi sono stimolati da una dieta ricca di zuccheri, e non di lipidi. Perché? Perché gli acilCoA che usiamo per formare gli acidi grassi derivano dagli zuccheri, che attraverso il processo di demolizione hanno dato piruvato, e il piruvato è quella molecola che può dare contemporaneamente acetilCoA e ossalacetato, allora questi 2 si condensano, dando citrato, che esce e permette la sintesi.
Un ambiente invece ricco di lipidi darà acidi grassi già preformati. Cioè noi introduciamo i trigliceridi, il colesterolo, l’estere del colesterolo, e queste molecole vengono riarrangiate, nel senso che a livello intestinale i trigliceridi vengono scissi, dando acidi grassi e glicerolo, nell’intestino vengono poi riarrangiati ancora i trigliceridi, vengono portati in giro a tutto l’organismo, ma poi esistono le lipoproteine lipasi dell’endotelio che scindono i trigliceridi in glicerolo e acidi grassi, questi entrano a livello dei tessuti e vengono ridepositati sotto forma di trigliceridi quando noi abbiamo una dieta ricca di lipidi. Quindi gli acidi grassi non vengono demoliti per ridarci acidi grassi, quindi se noi abbiamo una dieta ricca di lipidi non c’è bisogno di questa via metabolica.
Viceversa se noi introduciamo un eccesso di zuccheri, una parte la depositiamo sotto forma di glicogeno, ma il resto viene trasformato in grassi attraverso questa via che abbiamo visto, dunque il tipo di dieta che facciamo ha importanza sulla regolazione genica di questi enzimi, una dieta iperglucidica, ma anche iperproteica danno queste cose. Mentre se invece noi introduciamo molti lipidi, l’unica cosa che facciamo è prenderli e depositarli, senza distruggerli e riformarli.

Il glucagone attraverso il suo meccanismo di azione va a fosforilare l’acetilCoA carbossilasi rendendola inattiva. Quando c’è una dieta ricca di zuccheri arriva l’insulina, attiva le fosfatasi e si riforma l’acetilCoA carbossilasi attiva, a questo punto l’acetilCoA viene trasformata in malonilCoA, e questa reazione è attivata dal citrato. Questo malonilCoA andrà alla sintesi degli acidi grassi.

 

Relazione tra biosintesi e beta-ossidazione

Abbiamo un accumulo di citrato all’interno del mitocondrio, esce, questo cosa fa? Intanto va ad attivare l’acetilCoA carbossilasi, e poi se siamo in una dieta ricca di zuccheri avremo l’insulina in circolo che attiva ancora quest’enzima, dall’acetilCoA che viene portato fuori dal citrato si forma quindi l’acetilCoA che andrà a dare la biosintesi degli acidi grassi, e l’ossalacetato che potrà tornare dentro o sottoforma di malato o sotto forma di piruvato, questo malonilCoA che si accumula durante la sintesi degli acidi grassi va a bloccare l’enzima, la carnitina acil transferasi I, cioè quell’enzima che portava dentro gli acidi grassi per la β-ossidazione. Quindi il malonilCoA è una molecola chiave perché prende la via della biosintesi degli acidi grassi, ma nello stesso tempo impedisce che questi acidi grassi, che sono appena sintetizzati, entrino dentro al mitocondrio e vengano ossidati, quindi il punto di regolazione della β-ossidazione è l’entrata degli acidi grassi.

Quindi quando siamo in condizioni di digiuno questa via non è attiva, non c’è malonilCoA e gli acidi grassi possono entrare, quando siamo in condizioni di buona alimentazione, il malonilCoA che si forma va a bloccare l’entrata degli acidi grassi e avviene la biosintesi.