Colesterolo Digestione dei lipidi

Fitosteroli

Università di Roma Tor Vergata- Scienze della Nutrizione Umana Biochimica

Prof.ssa Luciana Avigliano 2014

COLESTEROLO 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

COLESTEROLO TOTALE 100 g ≈ 5% ematico, 95% cellulare

esterificato con acido grasso es. nelle lipoproteine

COLESTEROLO

DIETA presente 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)

LE DUE VIE SI INFLUENZANO RECIPROCAMENTE PER MANTENERE COSTANTI I LIVELLI CELLULARI TURNOVER GIORNALIERO 800 mg/die

FUNZIONI strutturale modulatore della fluidità delle membrane (“lipid rafts”)

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

COLESTEROLO quantità riportate come mg per 100 g di alimento edibile

Ø  cervello di animali Ø  Tuorlo d' uovo (1.350)

un uovo intero contiene 400 mg di colesterolo per 100 g Ø  Burro (250) Ø  Frutti di mare (aragosta, gamberi, ostriche, cozze 150) Ø  Salumi grassi (100) Ø  Formaggi grassi (pecorino, grana, parmigiano ecc. 100) Ø  Carne e pesce magri

(petto di pollo, tonno, pesce spada ecc. 70).

FEGATO: ORGANO PRIMARIO NELLA OMEOSTASI DEL COLESTEROLO omeostasi epatica studiata da 30 anni

Michael Brown e Joseph Goldstein 1985- vincitori del premio Nobel - basi molecolari della ipercolesterolema familiare 2003 - Albany Medical Center Prize - controllo trascrizionale della biosintesi BIOSINTESI enzima chiave HMGCoA REDUTTASI captazione dal circolo VIE COORDINATE recettori per le lipoproteine dai livelli di colesterolo

catabolismo enzima chiave COLESTEROLO 7α IDROSSILASI

ENTEROCITA studiata negli ultimi anni

CAPTAZIONE ed EFFLUSSO DAL LUME INTESTINALE Biosintesi Formazione dei chilomicroni

acetato

terpene

polimerizzazione

3HC–C=CH–CH3

CH3 I isoprene

Licopene (pigmento rosso del pomodoro)

tetraterpene C40

triterpene C30

squalene lanosterolo

diterpene c20 fitolo nella clorofilla

trans retinale

monoterpene C10

limonene citronella mentolo

acetilCoA

isoprene (5 atomi di carbonio)

squalene (30 atomi di carbonio)

Prodotto di ciclizzazione (30 atomi di carbonio)

colesterolo (27 atomi di carbonio)

lanosterolo

polimerizzazione

STRATEGIA della VIA BIOSINTETICA

O2

RETICOLO ENDOPLASMATICO

HO

3HC CH3

CH3

CH3

H CH3 CH3

HO

3HC CH3

CH3

CH2

CH2

O2 NADPH

ATP, NADPH

C-C=C-C

I C

BIOSINTESI Acetil CoA mitocondriale

- piruvato (da glucosio) - β-ossidazione acidi grassi esportato dal mitocondrio sotto forma di citrato

citrato + ATP + CoASH + citrato liasi --> ossalacetato + acetil CoA + ADP + Pi

ossalacetato + NADH D malato + NAD+ malato + NADP+ + H2O + enzima malico Ú piruvato + HCO3

- + NADPH + H+

NADPH + H+

- via dei pentosi fosfati (glucosio)

- enzima malico

ATP fosforilazione ossidativa

1. Conversione di un frammento C2 (acetil CoA) in un composto C6 (mevolonato)

HMG~CoA reduttasi

Ø  legata al reticolo endoplasmatico tramite la porzione N-terminale che contiene un dominio sensibile agli steroli importante per la stabilità

Ø  porzione C-terminale citosolica che contiene il dominio catalitico

PUNTO DI CONTROLLO DELL’INTERO PROCESSO BIOSINTETICO

CO-S-CoA + CH3

CH3 C=O

CH2

CO -S-CoA

COO– CH2

HO-C-CH3

CH2

CO -S-CoA

CoA-SH

HMG~CoA sintasi

CoA-SH

HMG ~CoA reduttasi

2NADPH + H+ 2NADP+

CH2

HO-C-CH3

CH2

CH2O H

COO–

acetil CoA acetoacetil CoA mevalonato idrossimetil glutaril ~ CoA (HMG~CoA)

* *

3 isopentenilpirofosfato dimetilallilpirofosfato isoprene attivato

mevalonato 5 fosfomevalonato 5 pirofosfomevalonato

2. Conversione del composto C6 a C5 (isoprene attivato)

Tre tappe di fosforilazione ad opera di chinasi con il consumo di 3 ATP

CH2

HO-C-CH3

CH2

CH2O H

COO– mevalonico

chinasi

ATP ADP

CH2

HO- C-CH3

CH2

CH2-O-PO3H–

COO– COO–

CH2

HO- C-CH3

CH2-O-P~P CH2

fosfomevalonico chinasi

ATP ADP

CH2 II C - CH3

CH2-O-P ~P CH2

ATP ADP + Pi CO2

fosfomevalonico decarbossilasi

CH3 I C - CH3

CH2-O-P ~P CH

isopentenilpirofosfato isomerasi

3. Polimerizzazione della molecola isoprenica

dimetilallilpirofosfato Isopentenil pirofosfato

+ prenil transferasi

PPi

geranilpirofosfato

PPi

farnesilpirofosfato

prenil transferasi

squalene sintasi

NADPH + H+ NADP+ + 2PPi

squalene

C5 C5 C10

C15 C30

2 X

4. Ciclizzazione dello squalene a lanosterolo e conversione a colesterolo

rimozione 3 metili ¬(due in C4 ed uno in C14) come CO2 saturazione doppio legame (catena laterale) spostamento doppio legame (8,9 Ò 5,6)

O2 NADPH + H+ NADP+

Squalene epossidasi

H2O

H+ squalene squalene epossido

¬ ¬

¬

lanosterolo

19 reazioni (NADPH e O2)

Squalene epossido

ciclasi

selenoproteine

Dolicolo-P 18-20 unità

Proteine N- glicosilate

(immunoglobuline) Colesterolo CoQ10 o ubichinone

Proteine isoprenilate (Ras)

ormoni vitamina D

acidi biliari membrane

Antiossidante lipofilo

Trasporto elettroni

mitocondriale

trasduzione del segnale

↓ farmaci antitumorali

isopenteniladenosina

Sec-tRNA

+ Tyr

Eme a citocromo c ossidasi

ALTRE BIOSINTESI

CoQ10

TRASPORTO EMATICO e

CAPTAZIONE

LDL:Alti livelli associati a rischio di malattia cardiovascolare

apoB100

esteri del colesterolo

fosfolipidi

TG colesterolo libero (non esterificato)

- ACIDI GRASSI LEGATI ALL’ALBUMINA tessuto adiposo ] fegato

- LIPOPROTEINE

chilomicroni 2% proteine, 85% TG, fosfolipidi (FL) intestino ] fegato

VLDL 8% proteine, 60% TG, FL fegato ] organi periferici . ò LDL 22% proteine, 6%TG, FL, 2/3 colesterolo totale

HDL 50% proteine, FL, 20% 1/3 colesterolo totale

fegato ] organi periferici ] fegato

LPL lipoprotein lipasi LCAT lecitina colesterolo acil transferasi

B48 chilomicroni secrezione chilomicroni B100 VLDL 50 % secrezione VLDL

LDL 100 % lega recettore LDL C(II) chilomicroni, VLDL attiva LPL A(I, II) HDL attiva LCAT E chilomicroni, VLDL, HDL lega recettori epatici

apoproteina lipoproteina funzione

Funzione delle apolipoproteine: Secrezione - Attivazione di enzimi - Legame a recettori

Il colesterolo importato blocca la sintesi del colesterolo e del recettore

REGOLAZIONE DELLA ATTIVITA’ DELLA

HMG~CoA REDUTTASI

LIVELLI DI REGOLAZIONE DELLA HMGCoA REDUTTASI

I. modulazione attività catalitica tramite inibizione da prodotto ↓ mevalonato ↓ farmaci (statine)

II. modificazione covalente tramite fosforilazione/defosforilazione forma non fosforilata più attiva forma fosforilata meno attiva - chinasi AMP dipendente

ATP/AMP ≈ 50 piccole variazioni [ATP] portano grandi variazioni [AMP]

Calo in [ATP] inibisce sintesi colesterolo e ac. grassi

III. modulazione dei livelli proteici tramite degradazione e biosintesi via principale

VARIAZIONI DI ATTIVITA’ FINO A 200 VOLTE

R

HO

CH3

COO- OH

O

O

CH3

X

HO COO- OH H3C R = CH3 X= H lovastatina

R = CH3 X= CH3 simvastatina

STATINE

Inibitori competitivi della HMG CoA reduttasi

effetti positivi ↓ sintesi colesterolo

↑ sintesi del recettore per le LDL ↓ livelli di LDL (~ 50%)

effetti positivi o negativi a prescindere dal colesterolo

anti-infiammatori anti-aggreganti

miopatia (coenzima Q?, selenoproteine?, alterato metaboslimo isoprenico?) neuropatia

DEGRADAZIONE e BIOSINTESI REGOLATE

dai LIVELLI CELLULARI DI COLESTEROLO (tramite sensori dei livelli di colesterolo del R.E.)

tramite

PROTEOLISI CONTROLLATA

REGOLAZIONE di LIVELLI di HMG~COA REDUTTASI controllo feedback da parte del colesterolo

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

tramite 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 più selettiva per biosintesi trigliceridi SRE-BP2 più selettiva per biosintesi colesterolo

II: REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE

Cellule deplete di colesterolo

Colesterolo abbondante

SREBP

SCAP

R.E. Golgi

SCAP

riciclaggio

S2P S S

SCAP

Nucleo

Alto livello di trascrizione

SRE S

Nucleo

Livello basale di trascrizione

SRE

Golgi

S2P

R.E.

S

inS1P

WD

SREBP

SCAP

SCAP - SREBP- Cleavage Activating Protein

S1P = proteasi del sito 1 S2P = proteasi del sito 2

SRE-BP proteina precursore ancorata al R.E

due specifiche rotture nel Golgi Ú parte N-terminale forma solubile attiva nucleare

S

SENSORE DEL COLESTEROLO

SREBP

contiene“sterol-sensing domain” (omologo a dominio della HMGCoA-R) Colesterolo si lega e modula la conformazione

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

CATABOLISMO

ACIDI BILIARI. Prodotti del catabolismo

Funzione nell’assorbimento dei lipidi

acido taurocolico

Enzima chiave 7α-idrossilasi

- 3 gruppi -OH polari in C3, C7, C12 - gruppo solfato della taurina

REGOLAZIONE della DEGRADAZIONE

R.E. Colesterolo 7α -idrossicolesterolo

Acido ascorbico

acido deidroascorbico O2 H2O

7α-idrossilasi (CYP7A1)

CYP7A1 -  indotta da colesterolo alimentare -  inibita da sali biliari

liver X receptor (LXRα ) Ligandi: ossisteroli

induce espressione trasportatori ABCA1 (ATP-binding cassette) Impedisce accumulo di colesterolo

–

HMG-CoA reduttasi

farnesoid X receptor (FXR) Ligandi: sali biliari.

down regola 7α-idrossilasi e impedisce accumulo di sali biliari

trascrizione regolata da +

–

SATURAZIONE RECETTORE

Û CALORIE TOTALI Û TRIGLICERIDI Û COLESTEROLO

Ü DIETA IPOCALORICA Ü DIGIUNO

Dieta ricca in grassi

Recettore saturo e down-regolato

Colesterolo

dalla dieta

Normale

Difetto genetico del recettore

Regolazione epatica

IDL intermediate-density lipoprotein

Digestione ed assorbimento dei

lipidi

STOMACO TRIGLICERIDI idrolisi di TG con acido grassi a corta-media catena (allattamento) per azione della lipasi gastrica

DUODENO TRIGLICERIDI Idrolisi parziale a dovuta alla azione combinata di - sistema lipasi - colipasi pancreatica - sali biliari ( fegato) -  bicarbonato

2-monoacil-glicerolo + 2 molecole di acido grasso

FOSFOLIPIDI: fosfolipasi A2 (produce lisofosfatidilcolina) COLESTEROLO: assorbito come colesterolo libero colesteril-estere idrolasi idrolizza colesterolo esterificato

acido taurocolico

Idrossilato in C3, C7, C12

BILE 5% colesterolo 15% fosfolipidi 80% Sali biliari

sali biliari: sintetizzati 400 mg/die riciclati 20-30 g/die

CIRCOLO ENTEROEPATICO

BILE 82% H2O Il restante in proporzione 5% colesterolo 15% fosfolipidi 80% sali biliari

Voet

Sistema lipasi-colipasi Complesso 1:1

Bersaglio dell’ Orlistat farmaco antiobesità Mancata digestione del 30% TG

PRODOTTI DELLA DIGESTIONE monoacilgliceroli, acidi grassi, lisofosfatidilcolina,colesterolo

ASSORBIMENTO

In genere alta efficienza 95%

Formazione di piccole micelle 3-10 nm contenenti anche le vitamine A, D, E, K grazie alla azione dei sali biliari, detergenti biologici DIFFUSIONE PASSIVA: gradiente di concentrazione mantenuto dalla riesterificazione nel R.E.dell’enterocita

TRASPORTO FACILITATO Mediante trasportatori Fatty Acid Transport Protein (FATP) a basse concentrazioni

acidi grassi a corta catena

sangue portale legati alla albumina

RETICOLO ENDOPLASMATICO riesterificazione 2-monoacilglicerolo + acil~CoA g trigliceride

colesterolo + acil ~ COA g estere del colesterolo acil-colesterolo acil transferasi ACAT

ed acquisizione di apolipoproteine (B48, A, E, C)

APPARATO DI GOLGI secrezione di chilomicroni

via linfatica

Apo B48

Apo A

Apo E

Apo C

captazione ed efflusso dal lume intestinale biosintesi formazione dei chilomicroni

ENTEROCITA

INIBIZIONE tramite alimenti fitosteroli

fibra alimentare yogurt, latti fermentati (probiotici: lactobacilli e bifidobatteri) assorbono colesterolo intestinale diminuendo l’assorbimento da parte dell’organismo producono acidi a carta catena (acido propionico che inibisce l’attività dell HMG-CoA)

farmaci ezetimibe

colestiramina - resine che legano acidi biliari e ne prevengono il riassorbimento

ASSORBIMENTO INTESTINALE del COLESTEROLO

Colesterolo nel tratto intestinale: da dieta e bile

CIRCOLO ENTEROEPATICO

Acidi biliari: sintetizzati 400 mg/die riciclati 20-30 g/die

BILE 5% colesterolo 15% fosfatidilcolina 80% sali biliari

Vegetariani stretti assunzione dieta <55 mg dalla bile 750 mg

Dieta occidentale assunzione dieta 300-500 mg

dalla bile 800-1200 mg

FITOSTEROLI

Animali sintetizzano dallo squalene solo il colesterolo Piante sintetizzano dallo squalene vari steroli tipici per ciascun vegetale - parte ciclica simile a quella del colesterolo,

- piccole variazioni nella catena laterale.

2 classi:

steroli o Δ5-steroli con un doppio legame in posizione 5

stanoli senza il doppio legame.

dalla dieta 200-400 mg/die (onnivoro vs vegetariano)

Quantità apprezzabili in tutti gli alimenti vegetali oli vegetali, noci, grano integrale, legumi,frutta, verdura

Alimento mg/ 100 gr prodotto edibile

Oli di grano 950 Olio di girasole 720 Olio di soia 220 Olio di oliva 160 Mandorle 140 Fagioli 75 Banana 16 Mela 12 Pomodoro 7

- poco captati dall’enterocita: max 5% vs 50% colesterolo - concentrazione ematica: ≈ 0,1- 0,14% quella del colesterolo

SUPPLEMENTAZIONE di 2 grammi/die porta a - Riduzione di assorbimento del colesterolo del 30-50% - Riduzione livelli LDL del 9-14% senza influenzare i livelli di HDL e TG (effetti dopo un paio di settimane di trattamento)

definiti “CARDIOPROTETTIVI

Meccanismo ipotizzato

-  nel lume intestinale competono e spiazzano il colesterolo dalle micelle fosfolipidi/sali biliari, così da diminuire l’assorbimento

Interazioni con farmaci (statine): possono contribuire per un ulteriore 10% al calo di LDL

FDA 2000-approved health claims supporting their role in lowering both total and LDL cholesterol

Raccomanda l’assunzione di 800 mg/d Dieta uomo primitivo alta in fitoseroli, 1 g/die

dovrebbe essere rapporto fitosterolo:colesterolo = 5:1

negli USA dal 1999 inclusi in alimenti fortificati - margarine, burro, oli

in forma di esteri di acidi grassi a lunga catena (più liposolubili)

-  succo d’arancia, snack da bar, yogurt emulsionati con lecitina per integrarli in alimenti non lipidici

CONTROINDICAZIONI per dosi terapeutiche

ü  generiche per donne in gravidanza, anziani, bambini ( anche se non ci sono controindicazioni specifiche)

ü  occasionalmente nausea, diarrea, costipazione

ü  calo nell’assorbimento di vitamine liposolubili, in particolare β-carotene; necessaria assunzione addizionale di verdure e frutta ad alto contenuto in carotenoidi

ü  fattore di rischio per malattia cardiovascolare in seguito ad iperassorbimento di fitosteroli in alcuni individui con particolare patrimonio genetico (sitosterolemia o fitosterolemia)

FDA (USA) - non superare i 3 g/die

Captazione ed efflusso intestinale:

processo selettivo

COLESTEROLO 50% assorbito ( ma grande variabilità individuale 20-80%) FITOSTEROLI uptake max 5% e non riconosciuti da ACAT

FITOSTEROLEMIA mutazione di ABC G5 / ABC G8 (1 : 5 milioni) iperassorbimento e diminuita escrezione aumenta anche colesterolo

Porta a malattia cardiovascolare

trigliceridi LINFA

ENTEROCITA

NPC1L1 colesterolo colesterolo

colesterolo colesterolo ABCG5 ABCG8

ACAT2

Acidi grassi

estere del colesterolo

Apo B-48

MTP

fitos

tero

li

cole

ster

olo

Ezetimibe

1.TRASPORTATORI - superficie apicale

Niemann-Pick C1-like protein 1 (NPC1L1) Importo colesterolo > fitosteroli e quindi internalizzato per endocitosi

ATP-binding cassette (ABC) isoforme intestinali ABCG5 e ABCG8 Pompa attiva per l’efflusso di colesterolo dall’enterocita nel lume intestinale

CHILOMICRONI acil~CoA:colesterolo aciltransferasi (ACAT) 70-80% viene esterificato

microsomal triglyceride transfer protein (MTP)

EZETIMIBE inibitore selettivo dell’assorbimento del colesterolo

Molecola sintetizzata nel 1998 - appartenente a classe di composti progettati come inibitori della ACAT - efficaci in vivo senza azione inibente sulla ACAT in vitro

Anello β-lattamico

Bersaglio identificato nel trasportore NPC1L1 (2004) contiene un sito sterolo-sensibile, analogamentealla HMGCoAR e SCAP aumenta sintesi endogena per cui vanno accoppiate le statine

Punti di controllo nell’omeostasi biosintesi epatica HMG~CoA reduttasi captazione intestinale NPC1L1

CONTROLLO DEI LIVELLI DI COLESTEROLO ENDOGENO ED ESOGENO

diventano bersagli farmacologici

A PARITA’ DI INTROITO CALORICO Û Acidi grassi saturi e trans insaturi (<5% nella carne e latte ruminanti)

Û Saccarosio, fruttosio (generano trigliceridi) Û Colesterolo (effetto minore di grassi saturi) = Acidi grassi monoinsaturi effetto neutro o positivo (altri componenti)

Ü Acidi grassi polinsaturi: ac linoleico, EPA, DHA (pesce, olio di pesce)

Ü Dieta ipocalorica e calo ponderale

Ü Attività fisica aerobica (Û HDL)

Ü Fibra alimentare (vegetali, frutta che contengono anche folati)

Ü Fitosteroli (cereali integrali, noci non salate)

Controllo non farmacologico della colesterolemia Nutrition, Metab & Cardiovascular Disease, vol. 18, 2008: consensus document

Calo 5-10% di LDL e/o aumento HDL

Le malattie cardiovascolari sono la causa più importante di mortalità, morbosità e invalidità nella popolazione italiana.

ü  Limitare il consumo di grassi in generale ü  Sostituire i grassi saturi (carne, insaccati, formaggio, burro)

con acidi grassi polinsaturi e monoinsaturi (pesce, oli vegetali) ü  Aumentare il consumo di frutta, verdura, legumi ü  Limitare il consumo di dolci ü  Limitare il sale ü  Limitare il consumo di alcol ü  Dimagrire se si è in sovrappeso ü  Svolgere attività fisica ü  Abolire il fumo