Metabolismo del colesterolo

Il COLESTEROLO deriva da un anello costituente di base chiamato ciclopentanoperidrofenantrene, con l’introduzione di un gruppo OH in posizione 3 mentre la restante parte, la parte idrofobica, possiede due gruppi CH3 in posizione 10 e 13 con un doppio legame in posizione 5 e 6, con la catena laterale presente in posizione 17 che possiede otto atomi di carbonio, ci sono quindi in tutto 27 atomi di carbonio.

Il colesterolo ha una funzione strutturale all’interno delle membrane biologiche, la sua fluidità è infatti direttamente proporzionale alla sua concentrazione, inoltre è molto importante in diverse reazioni per il metabolismo degli esseri viventi, è infatti un precursore vitaminico della vitamina D ed è un punto di partenza per la produzione di acidi biliari nel fegato, molecole importanti nell’emulsionare i grassi della dieta.

I sali biliari rappresentano infatti la forma principale di eliminazione del colesterolo. Questa molecola è anche il punto di partenza per la sintesi degli ormoni steroidei, è importante dunque che sia presente nelle gonadi, dove sono sintetizzati gli ormoni sessuali, o nel surrene dove si ha la produzione dei mineralcorticoidi, che regolano l’equilibrio ionico, e di glucocorticoidi che partecipano alla regolazione del metabolismo glucidico.

 

La biosintesi del colesterolo è riassumibile in 4 fasi: partendo dall’acetilCoA abbiamo che le prime tappe sono simili a quelle che portano alla produzione di corpi chetonici, questi enzimi che catalizzano queste reazioni sono infatti isoenzimi localizzati nei mitocondri e nel citoplasma. Da acetilCoA si arriva a formare acido mevalonico o mevalonato, un acido a 6 atomi di carbonio, con l’attività importante dell’enzima HMG (β-idrossi-β-metilglutaril) CoA reduttasi, l’unico dove avviene la regolazione del processo che consente di mantenere in un certo range le concentrazioni fisiologiche del colesterolo. Nella seconda fase l’acido mevalonico è trasormato in unità isopreniche a cinque atomi di carbonio che vanno a formare lo squalene, un composto a 30 atomi di carbonio, poi nella terza fase questa molecola va incontro a ciclizzazione andando a formare lanosterolo. L’ultima fase prevede la formazione di colesterolo in 19 reazioni a partire da lanosterolo.

  • La prima fase prevede la condensazione di due molecole di acetilCoA attraverso una tiolasi, che permette la formazione di acetoacetilCoA, poi viene aggiunta una terza molecola di acetilCoA e se ne va un CoA con l’attività del HMG CoA sintetasi. Ora, a differenza della chetogenesi (le reazioni precedenti avvenivano anche per la chetogenesi), l’HMG CoA reduttasi NADPH dipenente va a formare mevalonato, in particolare in questa reazione entrano due molecole di NADPH, viene infatti ridotto il gruppo carbossilico prima ad aldeide e poi a guppo alcolico, arrivando a formare mevalonato.
  • Nella seconda fase il mevalonato è fosforilato in tre tappe successive con tre molecole di ATP, arrivando a formare il 5-fosfomevalonato, il 5-pirofosfato mevalonato ed il 3-fosfo-5-pirofosfomevalonato. Poi segue una carbossilazione spontanea di questo composto che porta alla fuoriuscita anche di un gruppo fosforico, che porta alla formazione di isopentenilpirofosfato, una unità isoprenica. Questi pirofosfati svolgono anche la funzione importante di solubilizzare la molecola in ambiente acquoso. Questa molecola è in equilibrio attraverso un isomerasi con la dimetilallilpirofosfato, un’altra unità isoprenica. Intervengono ora reazioni di condensazione tra la dimetilallilpirofosfato con l’isopentenilpirofosfato, attraverso un interazione testa-coda, portando alla formazione di geranilpirofosfato, una molecola a 10 atomi di carbonio. Ora entra nel composto un nuovo isopentenilpirofosfato, sempre attraverso un interazione testa-coda, che porta alla formazione di farnesilpirofosfato. Successivamente si condensano due molecole di farnesilpirofosfato per formare lo squalene ad opera dello squalene sintetasi NADPH dipendente, un composto ancora aperto a 30 atomi di carbonio. Tutte queste molecole non sono indirizzate solo nella via di formazione del colesterolo, ma anche per molecole collaterali quali la vitamina A, la vitamina E, la vitamina K oppure il dolicolo.
  • Nella terza fase con due processi successivi abbiamo la catalisi di una epossidasi che forma il 2,3-ossisqualene, poi l’intervento di una ciclasi porta alla formazione del lanosterolo, successivamente nella quarta fase si passa da lanosterolo a colesterolo in 19 reazioni complessive.

La regolazione dei livelli cellulari di colesterolo avviene in maniera controllata attraverso tre diversi sistemi. L’enzima HMG CoA reduttasi è l’unico enzima regolato che porta alla formazione di colesterolo, sia a livello genico che allostericamente, viene infatti inibito se è presente un elevata concentrazione di colesterolo. Questo eccesso di colesterolo attiva il secondo tipo di controllo, ovvero l’enzima acilCoA colesterolo aciltransferasi o ACAT, che traferisce un acile da una molecola di acilCoA al gruppo ossidrilico in posizione 3 del colesterolo, formando così un estere insolubile che porta alla formazione di goccioline di colesterolo all’interno del citoplasma cellulare. Il terzo punto di regolazione riguarda l’entrata delle lipoproteine nel citoplasma cellulare, ognuna infatti ha una diversa funzione, le LDL si occupano di trasportare colesterolo attraverso recettori cellulari che internalizzano queste lipoproteine, tuttavia, se sono alte queste concentrazioni di colesterolo, viene diminuita la captazione delle LDL che così rimangono in circolo, viene infatti inibita la sintesi del recettore del colesterolo. Le HDL sono invece lipoproteine che trasportano colesterolo dai tessuti al fegato, in modo che possa venire eliminato.

 

L’HMG-CoA reduttasi è regolato a livello ormonale dagli ormoni insulina (che lo attiva) e glucagone (che lo inibisce), mentre un’alta concentrazione di colesterolo inibisce l’enzima, ma non si sa ancora se ad agire sia effettivamente il colesterolo o dei suoi derivati. Il controllo sull’espressione genica dell’enzima è regolato dalla concentrazione di colesterolo, che prevede la regolazione direttamente sul gene, infatti sul promotore (la zona antecedente la parte codificante) di questi geni sono presenti sequenze SRE (sequenze di elementi responsivi agli steroli). In particolare in queste cellule abbiamo sulle membrane del reticolo endoplasmatico, ad alte concentrazioni di colesterolo, sono presenti proteine leganti SRE dette SREBP nella forma inattiva, a cui sono legati i fattori di trascrizione dette bHLH, strutture presenti che permettono il legame del DNA, ed è presente anche a fianco una proteina chiamata SCAP, che attiva il clivaggio della SREBP.
In particolare questa SCAP ha un dominio sensibile agli steroli, che quando la concentrazione di colesterolo si abbassa, non abbiamo più steroli legati alla SCAP che cambia conformazione e permette il trasferimento delle altre due proteine (SREBP e bHLH) nelle cisterne del Golgi, dove sono presenti due proteasi, S1P e S2P, che agiscono sulla SREBP, in particolare la prima proteasi taglia la connessione tra le due parti proteiche del SREBP, poi interviene la seconda proteasi che stacca il bHLH, che migra nel nucleo e va ad attivare la trascrizione del gene dell’enzima. Abbiamo anche un controllo sulla velocità di degradazione dell’enzima, che ha una zona sensibile agli steroli, l’enzima è infatti stimolato su questo dominio da colesterolo, che porta alla modificazione strutturale che facilita la sua degradazione attraverso un proteasoma. La regolazione covalente dell’enzima con processi di fosforilazione (che lo inibiscono) e defosforilazione (che lo attivano) è sotto controllo di un azione indiretta rispettivamente da parte di glucagone, che attivano cinasi AMP dipendenti che vanno ad inibire l’attività dell’enzima.
La sua fosforilazione è data dall’enzima reduttasi-cinasi, regolato anch’esso in maniera covalente, anche se in questo caso la sua fosforilazione è sinonimo di maggiore attività dell’enzima, in particolare questo enzima è attivato da una reduttasi cinasi cinasi, o RKK, sotto il controllo delle cinasi AMP dipendenti o AMP ciclico dipendenti. Queste fosforilazioni avvengono nel regno del glucagone, mentre in presenza di una maggiore concentrazione d’insulina abbiamo un azione opposta, la sua concentrazione va infatti ad attivare le fosfatasi, che riportano le riduttasi in forma attiva e si torna a sintetizzare colesterolo nell’organismo. Nel regno del glucagone abbiamo anche l’intervento dell’INIBITORE 1, una molecola citoplasmatica presente in forma inattiva nel citoplasma, attivata quando viene fosforilata dalla PKA attivata dal glucagone, che va infatti a bloccare le fosfatasi, e questo vale un pò in tutti i processi che abbiamo visto e dove interviene il glucagone. In un solo meccanismo d’attivazione della PKA abbiamo dunque due risultati, sia l’attivazione (inibizione) dell’enzima HMG-CoA reduttasi e l’inibizione delle fosfatasi che dovrebbero defosforilare (dunque attivare) l’enzima, il PKA funziona infatti per tutte e due le strade.

Per quanto riguarda il secondo punto di regolazione, dove è presente l’ACAT, vediamo che l’attività di questo enzima porta alla catalisi del trasferimento dell’acido grasso dell’acilCoA sull’OH del colesterolo, togliamo così l’unica parte idrofila della molecola che diventa insolubile, si prefigura così una sorta di deposito del colesterolo nel citoplasma cellulare.

Il terzo punto di regolazione riguarda le concentrazioni di colesterolo in circolo in base al riassorbimento cellulare delle LDL, lipoproteine aventi esternamente dei lipidi di membrana che racchiudono esteri del colesterolo, aventi un apoproteina che permette il riconoscimento della LDL sul recettore ed ha funzioni di attivazione enzimale, nel caso del colesterolo si parla di apoproteina B100. Questo recettore a sua volta è una proteina di membrana concentrata in zone della membrana chiamate cavità rivestite, perchè sono cavità rivestite da una proteina chiamata clatrina. Avvenuto il legame con il recettore della LDL, avviene l’incameramento della proteina attraverso un fenomeno di endocitosi, si forma infatti una vescicola rivestita da clatrina contenente LDL. Piano piano questa vescicola perde clatrina sottoforma di triskelion, che tornano sotto la membrana plasmatica per formare una nuova cavità rivestita.
L’endosoma intanto diminuisce piano piano il suo pH interno attraverso pompe protoniche, fino ad arrivare circa ad un pH uguale a 5, che permette la dissociazione delle LDL con i recettori, che così ritornano sulla membrana plasmatica per poter tornare a formare nuove vescicole rivestite. A questo punto l’endosoma si fonde con un lisosoma, il PH si abbassa ancora e le proteasi del lisosoma attaccano le LDL permettendo il rilascio dei costituenti fondamentali che vengono riversati nel citoplasma. A questo punto il colesterolo può essere utilizzato, andare sulla membrana plasmatica o essere utilizzato per formare acidi biliari nel fegato, nelle gonadi può formare ormoni sessuali mentre nelle ghiandole surrenali può formare glucocorticoidi o mineralcorticoidi. In caso di accumulo della concentrazione di colesterolo esso va ad inibire la sintesi dell HMG reduttasi ma anche la sintesi dei recettori delle LDL, inoltre può essere depositato sottoforma di estere di colesterolo.

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In caso di elevata concentrazione di colesterolo possiamo andare incontro al fenomeno di ipercolesterolemia, il colesterolo può arrivare infatti come concentrazione al giorno d’oggi a circa 200 mg in 100 ml, anche se questi valori sono quotidianamente ritoccati. Una forma patologica detta ipercolesterolemia familiare porta negli eterozigoti delle concetrazioni di colesterolo fino a 350 mg in 100 ml, mentre negli omozigoti si arriva fino a 650 mg in 100 ml, fino ad arrivare ad una condizione che può provocare arteriosclerosi ed infarto. Questa ipercolesterolemia può però essere anche di tipo alimentare, quando viene introdotto un eccesso di colesterolo con la dieta, che porta da un aumento di LDL, che può essere controllata con l’alimetazione e l’attività fisica, ma le conseguenze sono le stesse dell’ipercolesterolemia familiare. Noi sappiamo che le VLDL inviate dal fegato ai tessuti extraepatici si trasformano in IDL o in LDL perchè perdono i trigliceridi durante il loro tragitto, le molecole rimaste sono captate da fegato e da altri tessuti. Questa è una situazione normale, mentre nella ipercolesterolemia il recettore delle LDL può non essere prodotto, oppure può essere prodotto ma non va sulla membrana cellulare, oppure non è in grado di legare le LDL, oppure ancora non vengono invaginate le LDL, e tutto ciò porta ad un aumento della concentrazione di queste molecole nel sangue.
Questa è una situazione simile a quando un apporto forte dalla dieta di colesterolo porta all’inattivazione dei recettori del LDL. Le persone affette da questa patologia assumono delle statine, composti con struttura simile al mevalonato, quindi viene inibita la sintesi del colesterolo attraverso queste molecole, portando alla riduzione del 30 % della concentrazione di colesterolo. Molte volte si abbina a questa somministrazione, la somministrazione di una resina sintetica, la colestiramina, che impedisce l’assorbimento dei sali biliari, rappresentanti una forma di eliminazione di colesterolo, essi infatti vengono buttati nell’intestino ma poi riassorbiti dopo la loro funzione, al giorno ne sono infatti buttati circa 800 mg, ma se impediamo questo processo il fegato è costretto a produrre nuovi sali biliari. Anche le famose fibre sono in grado di captare acidi biliari e di eliminarli con le feci, garantendo una loro maggiore produzione a livello del fegato.