Colesterolo e Acidi Biliari

Colesterolo 

È una molecola ciclica la cui struttura base è il ciclopentanoperidrofenantrene, che deriva dalla condensazione di 4 anelli. Poi la molecola del ciclopentanoperidrofenantrene subisce delle modificazioni che consistono nell’introduzione del gruppo –OH in posizione 3, che oltretutto rappresenta l’unica parte idrofila della molecola, mentre tutto il resto dell’anello che rappresenta la parte più voluminosa è la parte idrofobica. Quindi il colesterolo è una molecola ANFIPATICA, dove l’unica parte idrofila è appunto il gruppo –OH. Poi è caratterizzato dalla presenza di un doppio legame in posizione 5-6, di 2 gruppi metilici in posizione 10 e in posizione 13, e poi da una catena laterale in posizione 17.

E quindi si arriva ad un composto a 27 atomi di carbonio.

Anche il colesterolo che potrebbe sembrare una molecola con sola funzione strutturale ha invece una grande importanza nel metabolismo di tutti gli esseri viventi.

Innanzitutto il colesterolo è una molecola che contribuisce alla fluidità delle membrane, da cui dipende dal contenuto di colesterolo, cioè più è alto il contenuto di questa molecola e minore è la fluidità, inoltre è il precursore di un fattore vitaminico, la vitamina D, è il punto di partenza per la sintesi degli acidi biliari nel fegato, e queste molecole sono importanti per emulsionare i grassi della dieta, e quindi favorire il loro assorbimento. I sali biliari, come vedremo, rappresentano la forma principale di eliminazione del colesterolo. Infatti, il colesterolo non viene ossidato a CO2 e H2O, cioè non ha una sua via metabolica, ma il modo che noi abbiamo per eliminare questa molecola è trasformarla in acidi biliari che poi vengono riversati nella cistifellea, e via di seguito. È il precursore per gli ormoni steroidei, quindi la produzione di colesterolo sarà particolarmente importante nelle gonadi dove appunto vengono sintetizzati gli ormoni sessuali. Oppure nelle ghiandole surrenali dove si ha la produzione dei mineralcorticoidi importanti per regolare l’equilibrio ionico, o i glucocorticoidi che partecipano alla regolazione del metabolismo glucidico.

La biosintesi del colesterolo la possiamo riassumere in 4 fasi: questa sintesi avviene partendo dall’acetilCoA. E le prime tappe sono simili a quelle che avvengono nei mitocondri e che portano alla formazione dei corpi chetonici. Gli stessi enzimi che sono presenti nel mitocondrio portano alla formazione dei corpi chetonici, e se invece sono presenti nel citoplasma portano alla formazione del colesterolo. La prima fase parte dall’acetilCoA, composto a 2 atomi di carbonico, e porta alla sintesi dell’acido mevalonico, un composto a 6 atomi di carbonio. l’enzima responsabile della produzione dell’acido mevalonico è la β-idrossi-metametil-glutaril CoA reduttasi, che è l’enzima su cui avviene la regolazione del processo, è un enzima altamente regolato che permette di mantenere concentrazioni fisiologiche di questa molecola.

Nella seconda fase di sintesi l’acido mevalonico viene prima trasformato in un’unità isopreniche a 5 atomi di carbonio, che si condensano tra di loro a formare un composto a 30 atomi di carbonio che è lo squalene.

La terza fase consiste nella ciclizzazione di questa molecola a 30 atomi di carbonio, cioè lo squalene che è una molecola aperta, attraverso 2 reazioni successive permette la formazione del lanosterolo, anch’esso a 30 atomi di carbonio, però a struttura ciclica.

Infine l’ultima fase dal lanosterolo, attraverso 19 successive reazioni, portano a colesterolo, un composto a 27 atomi di carbonio.

Quindi la sintesi del colesterolo la si può riassumere in 4 tappe:

  1. formazione dell’acido mevalonico a 6 atomi di carbonio, ed è qui che è presente l’enzima HMG-CoA reduttasi NADPH dipendente che è il punto di regolazione del processo
  2. il mevalonato viene trasformato in unità isopreniche a 5 atomi di carbonio che si condensano tra di loro a formare un composto a 30 atomi di carbonio che è lo squalene
  3. ciclizzazione dello squalene con formazione del lanosterolo, sempre a 30 atomi di carbonio
  4. successive reazioni attraverso una serie di 19 passaggi portano alla formazione del colesterolo

1°TAPPA:

Il mevalonato subisce 3 reazioni di fosforilazione ATP-dipendenti ad opera di una mevalonato cinasi, di una fosfomevalonato cinasi e di una pirofosfomevalonato cinasi, il risultato è che si forma il 3-fosfo-5-pirofosfato mevalonato. Quindi ci sono 3 tappe successive di fosforilazione che richiedono 3 molecole di ATP, per formare il 3-fosfo-5-pirofosfato mevalonato. Interviene poi una decarbossilazione e si forma la prima unità isoprenica che è l’isopentenil pirofosfato. Quindi siamo passati da un composto a 6 atomi di carbonio, ad opera di una decarbossilasi, a un composto a 5 atomi di carbonio insaturo.

Perché sono stati introdotti questi pirofosfati?

Innanzi tutto per rendere attiva la molecola, ma anche per aumentare la solubilità di queste molecole, perché sono molecole sature, idrofobiche, e quindi siccome se ne forma una certa quantità, si devono condensare tra di loro, per mantenerle in soluzione vengono aggiunti questi pirofosfati, che sono molecole altamente cariche, e quindi compiono anche la funzione di solubilizzare queste molecole. L’unità isoprenica ha appunto la caratteristica di presentare doppi legami all’interno della sua molecola e sono composti a 5 atomi di carbonio: la prima che si forma è l’isopentenil pirofosfato. Dopo di che questa molecola è in equilibrio, ad opera di un enzima che è un’isomerasi, con un’altra unità isoprenica che si chiama dimetilallil pirofosfato, quindi sempre un composto a 5 atomi di carbonio contenente doppi legami e sempre attaccato a un pirofosfato. Quindi le unità isopreniche che si formano in questa reazione sono l’isopentenil pirofosfato e il dimetilallil pirofosfato. Da questo punto intervengono reazioni di condensazione di queste unità a 5 atomi di carbonio, le quali si condensano tra di loro, la dimetilallil pirofosfato con un isopentenil pirofosfato, la condensazione è di tipo testa-coda, cioè l’estremità di una catena si unisce alla testa dell’altra catena. Si forma un composto a 10 atomi di carbonio che è il geranil pirofosfato. Entra un’altra unità isoprenica sempre sotto forma di isopentenil pirofosfato, avviene un’altra condensazione testa-coda, e si forma un composto a 15 carboni, che è il farnesil pirofosfato.

Queste molecole che vengono sintetizzate durante il processo di sintesi del colesterolo non sono tutte indirizzate al colesterolo e basta, cioè durante questi processi si formano anche delle molecole collaterali che sono essenziali per il metabolismo, tra queste molecole collaterali c’è la vitamina A, la vitamina E, la vitamina K, poi si formano oli essenziali, si formano molecole come il dolicolo che è una molecola che serve per introdurre residui glucidici nelle glico-proteine, si formano i pitoli della catena della clorofilla, ed altre non meno importanti. L’importante è sapere che questo processo di sintesi che porta al colesterolo può però anche contribuire alla formazione di molecole intermedie che sono importanti per il metabolismo, che possono essere sia fattori vitaminici, sia altre molecole necessarie.

4° STADIO

C’è una serie di 19 reazioni che sono coinvolte per trasformare il lanosterolo in colesterolo. Grazie a enzimi che sono presenti nella membrana del reticolo endoteliale e che richiedono la presenza del citocromo P450 si forma il colesterolo.

I lipidi viaggiano nel sangue legati alle lipoproteine, ognuna delle quali ha una funzione diversa dall’altra, cioè alcune trasportano principalmente trigliceridi (LDL), altre invece sono ricche di colesterolo (HDL). Le LDL hanno un recettore sulla superficie cellulare con cui vengono riconosciute ed internalizzate, queste poi liberano colesterolo all’interno della cellula e quindi andranno ad aumentare le concentrazioni di questa molecola, tuttavia se le concentrazioni di colesterolo sono alte all’interno della cellula noi vedremo che viene diminuita la captazione delle LDL che quindi rimangono in circolo. I livelli di colesterolo intercellulari devono essere mantenuti entro livelli fisiologici, chi provvede a mantenere le concentrazioni ottimali all’interno della cellula sono 3 meccanismi:

  1. la produzione endogena di colesterolo, che quando il colesterolo si accumula, sia perché se né prodotto tanto, sia perché è stato assorbito con le lipoproteine, ecco che viene inibita la HMG-CoA reduttasi. Quindi i livelli di colesterolo libero vanno a regolare la HMG-CoA reduttasi
  2. viene attivato un enzima, ACAT, che provvede a trasformare il colesterolo libero in colesterolo esterificato che si deposita all’interno della cellula.
  3. assorbimento delle LDL, le LDL sono quelle lipoproteine che trasportano il colesterolo dal fegato ai tessuti e vengono incorporate all’interno della cellula grazie a un recettore che è in grado di internalizzare queste lipoproteine, queste libere colesterolo all’interno della cellula. Se la quantità di colesterolo all’interno della cellula è sufficientemente alta viene inibita la sintesi del recettore del colesterolo, quindi meno lipoproteine vengono assunte.

 

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL COLESTEROLO

La regolazione della disponibilità del colesterolo coinvolge almeno tre processi: la sintesi del colesterolo, la sua esterificazione da parte di ACAT e la sintesi di LDL o di recettori per LDL.

REGOLAZIONE DELLA SINTESI DEL COLESTEROLO

1.Regolazione della 3-idrosi-3-metilglutaril reduttasi (sintesi del colesterolo)

Può essere regolata da un punto di vista ormonale e gli enzimi coinvolti sono insulina e glucagone.

Il colesterolo è un effettore allosterico negativo dell’enzima, se ad elevate concentrazioni. La reduttasi è un enzima la cui vita media è appena di 4 ore e pertanto deve essere sintetizzato con continuità, il colesterolo agisce proprio a livello della sintesi dell’enzima, ma pare che non sia direttamente il colesterolo a rallentare l’enzima, quanto un suo derivato ossidativo o lo stesso colesterolo legato ad una proteina, la SCP (Sterol Carrier Protein).

In ogni caso l’enzima è regolato su tre livelli: genetico, della modalità di degradazione e covalente. I primi due livelli dipendono direttamente dal colesterolo.

  • Controllo genetico della sintesi dell’enzima

Il promotore del gene che codifica per la reduttasi e per altri enzimi che intervengono nel metabolismo del colesterolo, ha una sequenza SRE (Sterol Responsive Elements). Sulla parete del reticolo endoplasmatico vi sono due proteine: SREbp (SRE binding protein) e SCAP (Proteina attivante il clivaggio della SRE). La parte attiva della SREbp è la bHLH che agisce da fattore trascrizionale. SCAP presenta dei siti di legame per gli steroli. Quando la loro concentrazione cellulare è elevata e il colesterolo è legato all’enzima, entrambe le proteine del RE sono ancorate alla membrana. Quando invece la disponibilità di steroli nella cellula è diminuita e non vi è più colesterolo legato alla SCAP le due proteine vengono trasferite in una cisterna del Golgi dove subiscono l’azione di due proteasi: S1P ed S2P (una metallo-proteina). La prima agisce su un tratto random coiled (loop) sito fra due domini α-elicizzati della SREbp, staccando la parte inattiva da quella bHLH (Helix Loop Helix). La seconda proteasi agisce invece sulla bHLH nel punto in cui essa è legata alla membrana permettendole il passaggio nel citoplasma, da cui si porterà al nucleo per compiere da sua funzione di fattore trascrizionale.

  • Controllo della degradazione dell’enzima

La HMG reduttasi presenta essa stessa dei siti di legame per il colesterolo, ai quali lo sterolo può legarsi se ad elevate concentrazioni rendendo l’enzima suscettibile della degradazione da parte di un proteasoma.

  • Regolazione covalente

Come nella maggior parte dei casi, essa è legata a meccanismi di fosforilazione e defosforilazione. La fosforilazione avviene per mezzo di cinasi che possono essere AMP o cAMP dipendenti. Ricordiamo che l’enzima può esistere in una forma fosforilata, meno attiva, ed una defosforilata, più attiva. La attivazione della PKA a seguito della via trasduzionale di cAMP, porta alla fosforilazione della reduttasi chinasi chinasi (RKK), un enzima che è più attivo nella forma fosforilata. A sua volta RKK fosforila la reduttasi chinasi e questa la reduttasi, inibendola.

L’inibitore 1 è una molecola ubiquitaria del citoplasma che, se fosforilato dalla PKA (nella via trasduzionale di cAMP) inibisce l’azione delle fosfatasi. Possiamo dire che la PKA, e a monte il glucagone, partecipano alla regolazione covalente secondo due vie: da un lato stimolando le cinasi, dall’altro inibendo le reduttasi, per mezzo dell’inibitore 1.

2.Regolazione della esterificazione del colesterolo

Un eccesso di colesterolo stimola ACAT (Acil CoA colesterolo acil trasferasi), che lo esterifica. Gli esteri del colesterolo sono la forma con cui è immagazzinato nelle cellule

3.Regolazione di LDL e del loro riassorbimento

Le LDL, lipoproteine a bassa densità sono formazioni vescicolari rivestite da lipidi a doppia polarità, colesterolo e proteine APO. Le proteina APO assolvono varie funzioni: solubilizzano i lipidi contenuti nelle piccole micelle, permettono il riconoscimento e l’incamerazione delle LDL all’interno delle cellule, ne regolano il metabolismo mediante l’attivazione di alcuni enzimi, quali le lipoprotein lipasi.

Per quanto riguarda il riconoscimento, esso avviene da parte delle cellule, in corrispondenza di quella che è chiamata cavità rivestita da clatrina. In questa zona infatti la clatrina è abbondante per mantenere adesi i recettori. Le apoproteine coinvolte nel riconoscimento sono le Apo b-100. Dopo la formazione del complesso si forma un endosoma sulla cui membrana sono poste delle pompe protoniche che attirano protoni provocando un abbassamento del pH. Nel frattempo, molecole di clatrina fanno ritorno alla membrana in forma di trischelioni. Quando nell’endosoma il pH ha raggiunto all’incirca il valore di 5, si ha il distacco dei recettori da LDL, i recettori fanno così ritorno alla membrana all’interno di vescicole rivestite di clatrina. L’endosoma a questo punto si fonde con un lisosoma i cui enzimi litici sono attivati dal basso valore del pH: una proteasi scinde le LDL in amino acidi e colesterolo, il quale può essere riversato nel citoplasma, dove svolge le sue funzioni.

Il colesterolo in eccesso inibisce la sintesi di recettori per LDL, che restano in circolo per un tempo maggiore, aumentando la concentrazione del colesterolo nel sangue.

 

ACIDI BILIARI

Il colesterolo non può essere demolito mediante cicli ossidativi che portano alla sua degradazione ad acqua e anidride carbonica. Esso viene eliminato con gli acidi biliari. Gli acidi biliari primari sono l’acido colico e l’acido chenodeossicolico, quelli secondari sono l’acido litocolico e deossicolico.

Il colesterolo viene idrossilato ad opera di una colesterolo – 7α – monoossigenasi (o anche idrossilasi) che introduce un gruppo ossidrilico in posizione 7 nella configurazione α. La colesterolo – 7α – monoossigenasi richiede la presenza di O2, NADPH e citocromo p450 (quest’ultimo presente esclusivamente nel reticolo endoteliale del fegato). È questo l’enzima regolativo della sintesi degli acidi biliari e la sua modulazione è molto semplice: colesterolo in eccesso ne stimola l’attività, un eccesso di acidi biliari la rallenta.

Dal 7α – idrossicolesterolo, possono partire due vie per la formazione degli acidi biliari primari. In ogni caso, si verifica un accorciamento della catena carboniosa che passa da 27 a 24 atomi di carbonio mediante la perdita di un propionile nella forma di propionil coA e C24 è carbossilico e legato ad un coenzima A, il gruppo ossidrile in posizione 3 viene convertito alla configurazione α (al di sotto del piano), il doppio legame tra il carbonio C5 e C6 viene ridotto.

Acido colico e acido chenodeossicolico differiscono unicamente per la presenza o meno di un gruppo ossidrile in posizione 12.

Poiché i gruppi ossidrilici sono tutti in configurazione α e quelli metilici in configurazione β, gli acidi biliari presentano due facce, una idrofila ed una idrofobica. Grazie a questa proprietà gli acidi biliari possono compiere la loro azione emulsionante e stabilizzante delle piccole micelle intestinali, essendo rivolti con la faccia apolare verso i lipidi e con quella polare verso il liquido del lume intestinale.

La pKa degli acidi biliari primari è prossima a 5 e a pH biologico sono nella forma dissociata. Essi possono legare taurina o glicina formando i sali biliari. Sono questi detti sali biliari, e non acidi, perché hanno una pKa ancora più bassa di quella degli acidi biliari e si presentano sempre nella forma dissociata, con cui possono legare altri ioni per formare sali.

Acidi biliari, unitamente a colesterolo e fosfolipidi formano la bile, che secreta dal fegato, è raccolta dapprima nella cistifellea per essere poi riversata nel lume intestinale. Mediante la vena porta gli acidi biliari dall’intestino fanno ritorno al fegato. I fosfolipidi costituiscono gli elementi di solubilizzazione del colesterolo. Se il colesterolo è in eccesso rispetto ai fosfolipidi, si hanno i cosiddetti calcoli biliari.

Un’altra funzione degli acidi biliari, oltre a quella di solubilizzare lipidi, è quella di favorire l’assorbimento delle vitamine liposolubili.

La secretina stimola la secrezione della bile da parte della cistifellea, nonché degli enzimi pancreatici. Gli acidi biliari possono essere assorbiti dall’intestino sia passivamente, sia in un meccanismo di cotrasporto assieme agli ioni Na+. Nell’intestino la flora batterica trasforma gli acidi biliari primari a secondari eliminando il gruppo – OH in posizione 7, ma agisce anche sui sali biliari rimuovendo taurina o glicina.

Il 90 – 95 % degli acidi biliari prodotti viene riassorbito e in un giorno vengono riassorbiti da fegato e intestino circa 20 volte. La quantità di colesterolo eliminata con le feci è di circa 0,8 grammi al giorno di cui 0,5 nella forma di acidi biliari.