Sintesi degli acidi grassi

Molto simile alla β-ossidazione, la sintesi degli acidi grassi a catena lineare avviene attraverso le sei reazioni ricorrenti mostrate qui sotto, fino a produrre l’acido palmitico a 16 carboni.

I diagrammi presentati mostrano come gli acidi grassi sono sintetizzati nei microrganismi ed elencano gli enzimi presenti in Escherichia coli. Queste reazioni sono eseguite dalla sintasi II degli acidi grassi (FASII), che in generale contiene più enzimi che agiscono come un unico complesso. FASII è presente nei procarioti, nelle piante, nei funghi e nei parassiti, così come nei mitocondri.

Negli animali, così come in alcuni funghi come il lievito, queste stesse reazioni avvengono sulla sintasi I degli acidi grassi (FASI), una grande proteina dimerica che ha tutte le attività enzimatiche necessarie per creare un acido grasso. FASI è meno efficiente di FASII; tuttavia, permette la formazione di più molecole, compresi gli acidi grassi a “catena media” attraverso la terminazione precoce della catena.

Una volta che un acido grasso a 16:0 carbonio è stato formato, può subire una serie di modifiche, con conseguente desaturazione e/o allungamento. L’allungamento, a partire dallo stearato (18:0), viene eseguito principalmente nell’ER da diversi enzimi legati alla membrana. I passi enzimatici coinvolti nel processo di elongazione sono principalmente gli stessi di quelli eseguiti dal FAS, ma i quattro principali passi successivi dell’elongazione sono eseguiti da singole proteine, che possono essere fisicamente associate.

Step	Enzima	Reazione	Descrizione
(a)	Acetil CoA:ACP transacilasi		Attiva l’acetil CoA per la reazione con il malonil-ACP
(b)		Malonil CoA:ACP transacilasi		Attiva il malonil CoA per la reazione con l’acetil-ACP
(c)	3-chetoacil-ACP sintasi		Riprende la catena acilica legata all’ACP con malonil-ACP a catena allungata
(d)	3-chetoacil-ACP reduttasi		Riduce il chetone di carbonio 3 ad un gruppo idrossile
(e)	3-Hydroxyacyl ACP dehydrase		Elimina l’acqua
(f)	Enoil-ACP reduttasi		Riduce il doppio legame C2-C3.
Abbreviazioni: ACP – Acyl carrier protein, CoA – Coenzima A, NADP – Nicotinamide adenina dinucleotide fosfato.

Nota che durante la sintesi dei grassi l’agente riducente è NADPH, mentre NAD è l’agente ossidante nella beta-ossidazione (la scomposizione degli acidi grassi in acetil-CoA). Questa differenza esemplifica un principio generale secondo cui il NADPH viene consumato durante le reazioni biosintetiche, mentre il NADH viene generato nelle reazioni che producono energia. (Così il NADPH è richiesto anche per la sintesi del colesterolo dall’acetil-CoA; mentre il NADH è generato durante la glicolisi). La fonte del NADPH è duplice. Quando il malato è decarbossilato ossidativamente dall'”enzima malico legato al NADP+” per formare piruvato, si formano CO2 e NADPH. Il NADPH è formato anche dalla via del pentoso fosfato che converte il glucosio in ribosio, che può essere usato nella sintesi di nucleotidi e acidi nucleici, o può essere catabolizzato a piruvato.

Conversione dei carboidrati in acidi grassiModifica

Negli esseri umani, gli acidi grassi si formano dai carboidrati prevalentemente nel fegato e nel tessuto adiposo, così come nelle ghiandole mammarie durante la lattazione.

Il piruvato prodotto dalla glicolisi è un importante intermediario nella conversione dei carboidrati in acidi grassi e colesterolo. Questo avviene tramite la conversione del piruvato in acetil-CoA nel mitocondrio. Tuttavia, questo acetil-CoA deve essere trasportato nel citosol dove avviene la sintesi degli acidi grassi e del colesterolo. Questo non può avvenire direttamente. Per ottenere l’acetil-CoA citosolico, il citrato (prodotto dalla condensazione dell’acetil CoA con l’ossalacetato) viene rimosso dal ciclo dell’acido citrico e trasportato attraverso la membrana mitocondriale interna nel citosol. Lì viene scisso dall’ATP citrato liasi in acetil-CoA e ossalacetato. L’ossalacetato può essere usato per la gluconeogenesi (nel fegato), o può essere riportato nel mitocondrio come malato. L’acetil-CoA citosolico è carbossilato dall’acetil CoA carbossilasi in malonil CoA, il primo passo impegnato nella sintesi degli acidi grassi.

Gli animali non possono risintetizzare i carboidrati dagli acidi grassi

Il principale carburante immagazzinato nel corpo degli animali è il grasso. I depositi di grasso di un giovane adulto umano hanno una media di circa 15-20 kg, ma variano notevolmente a seconda dell’età, del sesso e della disposizione individuale. Al contrario, il corpo umano immagazzina solo circa 400 g di glicogeno, di cui 300 g sono bloccati nei muscoli scheletrici e non sono disponibili per il corpo nel suo complesso. I circa 100 g di glicogeno immagazzinati nel fegato si esauriscono entro un giorno di fame. In seguito, il glucosio che viene rilasciato nel sangue dal fegato per l’uso generale da parte dei tessuti del corpo, deve essere sintetizzato dagli aminoacidi glucogenici e da pochi altri substrati gluconeogenici, che non includono gli acidi grassi.

Gli acidi grassi vengono scomposti in acetil-CoA per mezzo della beta ossidazione all’interno dei mitocondri, mentre gli acidi grassi vengono sintetizzati dall’acetil-CoA fuori dal mitocondrio, nel citosol. Le due vie sono distinte, non solo nel luogo in cui avvengono, ma anche nelle reazioni che avvengono e nei substrati che vengono utilizzati. Le due vie sono reciprocamente inibitorie, impedendo all’acetil-CoA prodotto dalla beta-ossidazione di entrare nella via sintetica attraverso la reazione acetil-CoA carbossilasi. Inoltre non può essere convertito in piruvato poiché la reazione di decarbossilazione del piruvato è irreversibile. Invece si condensa con l’ossalacetato, per entrare nel ciclo dell’acido citrico. Durante ogni giro del ciclo, due atomi di carbonio lasciano il ciclo come CO2 nelle reazioni di decarbossilazione catalizzate da isocitrato deidrogenasi e alfa-chetoglutarato deidrogenasi. Così ogni giro del ciclo dell’acido citrico ossida un’unità di acetil-CoA mentre rigenera la molecola di ossalacetato con cui l’acetil-CoA si era originariamente combinato per formare l’acido citrico. Le reazioni di decarbossilazione avvengono prima che si formi il malato nel ciclo. Il malato è l’unica sostanza che può essere rimossa dal mitocondrio per entrare nella via gluconeogenica e formare glucosio o glicogeno nel fegato o in qualsiasi altro tessuto. Non ci può quindi essere una conversione netta degli acidi grassi in glucosio.

Solo le piante possiedono gli enzimi per convertire l’acetil-CoA in ossalacetato da cui il malato può essere formato per essere infine convertito in glucosio.

Regolazione

L’acetil-CoA è formato in malonil-CoA dall’acetil-CoA carbossilasi, a questo punto il malonil-CoA è destinato ad alimentare la via di sintesi degli acidi grassi. L’acetil-CoA carbossilasi è il punto di regolazione nella sintesi degli acidi grassi saturi a catena diritta, ed è soggetto sia alla fosforilazione che alla regolazione allosterica. La regolazione tramite fosforilazione si verifica soprattutto nei mammiferi, mentre la regolazione allosterica si verifica nella maggior parte degli organismi. Il controllo allosterico avviene come inibizione di feedback da parte del palmitoil-CoA e attivazione da parte del citrato. Quando ci sono alti livelli di palmitoyl-CoA, il prodotto finale della sintesi degli acidi grassi saturi, inattiva allostericamente l’acetil-CoA carbossilasi per prevenire un accumulo di acidi grassi nelle cellule. Il citrato agisce per attivare l’acetil-CoA carbossilasi sotto alti livelli, perché alti livelli indicano che c’è abbastanza acetil-CoA per alimentare il ciclo di Krebs e conservare energia.

Alti livelli plasmatici di insulina nel plasma sanguigno (ad es. dopo i pasti) causano la defosforilazione dell’acetil-CoA carbossilasi, promuovendo così la formazione di malonil-CoA dall’acetil-CoA, e di conseguenza la conversione dei carboidrati in acidi grassi, mentre l’epinefrina e il glucagone (rilasciati nel sangue durante la fame e l’esercizio) causano la fosforilazione di questo enzima, inibendo la lipogenesi a favore dell’ossidazione degli acidi grassi tramite la beta-ossidazione.

Acidi grassi insaturi a catena dirittaModifica

Desaturazione anaerobicaModifica

Molti batteri usano la via anaerobica per sintetizzare gli acidi grassi insaturi. Questa via non utilizza l’ossigeno e dipende dagli enzimi per inserire il doppio legame prima dell’allungamento utilizzando il normale macchinario di sintesi degli acidi grassi. In Escherichia coli, questo percorso è ben compreso.

Sintesi degli acidi grassi insaturi tramite desaturazione anaerobica

• FabA è un β-hydroxydecanoyl-ACP dehydrase – è specifico per l’intermedio di sintesi degli acidi grassi saturi a 10 carboni (β-hydroxydecanoyl-ACP).
• FabA catalizza la disidratazione del β-idrossidecanoil-ACP, causando il rilascio di acqua e l’inserimento del doppio legame tra C7 e C8 contando dall’estremità metile. Questo crea l’intermedio trans-2-decenoile.
• L’intermedio trans-2-decenoile può essere deviato nella normale via di sintesi degli acidi grassi saturi da FabB, dove il doppio legame sarà idrolizzato e il prodotto finale sarà un acido grasso saturo, o FabA catalizzerà l’isomerizzazione nell’intermedio cis-3-decenoile.
• FabB è una β-chetoacil-ACP sintasi che allunga e canalizza gli intermedi nella via principale di sintesi degli acidi grassi. Quando FabB reagisce con l’intermedio cis-decenoil, il prodotto finale dopo l’allungamento sarà un acido grasso insaturo.
• I due principali acidi grassi insaturi prodotti sono Palmitoleoyl-ACP (16:1ω7) e cis-vaccenoyl-ACP (18:1ω7).

La maggior parte dei batteri che subiscono la desaturazione anaerobica contengono omologhi di FabA e FabB. I clostridi sono l’eccezione principale; essi hanno un nuovo enzima, ancora da identificare, che catalizza la formazione del doppio legame cis.

Regolazione

Questa via subisce la regolazione trascrizionale di FadR e FabR. FadR è la proteina più ampiamente studiata e le sono state attribuite caratteristiche bifunzionali. Agisce come attivatore della trascrizione di fabA e fabB e come repressore del regolatore di β-ossidazione. Al contrario, FabR agisce come repressore della trascrizione di fabA e fabB.

Desaturazione aerobicaModifica

La desaturazione aerobica è la via più diffusa per la sintesi degli acidi grassi insaturi. È utilizzata in tutti gli eucarioti e in alcuni procarioti. Questa via utilizza le desaturasi per sintetizzare gli acidi grassi insaturi dai substrati di acidi grassi saturi a lunghezza intera. Tutte le desaturasi richiedono ossigeno e alla fine consumano NADH anche se la desaturazione è un processo ossidativo. Le desaturasi sono specifiche per il doppio legame che inducono nel substrato. In Bacillus subtilis, la desaturasi, Δ5-Des, è specifica per indurre un doppio legame cis nella posizione Δ5. Saccharomyces cerevisiae contiene una desaturasi, Ole1p, che induce il legame cis-doppio a Δ9.

Nei mammiferi la desaturazione aerobica è catalizzata da un complesso di tre enzimi legati alla membrana (NADH-citocromo b5 reduttasi, citocromo b5, e una desaturasi). Questi enzimi permettono all’ossigeno molecolare, O2, di interagire con la catena di acil-CoA grassi saturi, formando un doppio legame e due molecole di acqua, H2O. Due elettroni provengono da NADH + H+ e due dal singolo legame nella catena degli acidi grassi. Questi enzimi dei mammiferi sono però incapaci di introdurre doppi legami agli atomi di carbonio oltre il C-9 nella catena degli acidi grassi). Quindi i mammiferi non possono sintetizzare il linoleato o il linolenato (che hanno doppi legami nelle posizioni C-12 (= Δ12), o C-12 e C-15 (= Δ12 e Δ15), rispettivamente, così come nella posizione Δ9), né l’acido arachidonico polinsaturo a 20 carbonio che deriva dal linoleato. Questi sono tutti definiti acidi grassi essenziali, il che significa che sono richiesti dall’organismo, ma possono essere forniti solo attraverso la dieta. (L’acido arachidonico è il precursore delle prostaglandine che svolgono un’ampia varietà di funzioni come ormoni locali.)

Acidi grassi a catena dispariModifica

Gli acidi grassi a catena dispari (OCFA) sono quegli acidi grassi che contengono un numero dispari di atomi di carbonio. Gli OCFA più comuni sono i derivati saturi C15 e C17, rispettivamente l’acido pentadecanoico e l’acido eptadecanoico. La sintesi degli acidi grassi a catena pari avviene assemblando i precursori dell’acetil-CoA, tuttavia, il propionil-CoA invece dell’acetil-CoA è usato come primer per la biosintesi degli acidi grassi a catena lunga con un numero dispari di atomi di carbonio.

RegolazioneIn B. subtilis, questo percorso è regolato da un sistema a due componenti: DesK e DesR. DesK è una chinasi associata alla membrana e DesR è un regolatore trascrizionale del gene des. La regolazione risponde alla temperatura; quando c’è un calo di temperatura, questo gene viene upregolato. Gli acidi grassi insaturi aumentano la fluidità della membrana e la stabilizzano alle basse temperature. DesK è la proteina sensore che, quando c’è una diminuzione della temperatura, si autofosforila. DesK-P trasferirà il suo gruppo fosforilico a DesR. Due proteine DesR-P si dimerizzano e si legano ai promotori del DNA del gene des e reclutano la RNA polimerasi per iniziare la trascrizione.

Pseudomonas aeruginosa

In generale, la sintesi degli acidi grassi insaturi sia anaerobica che aerobica non avviene all’interno dello stesso sistema, tuttavia Pseudomonas aeruginosa e Vibrio ABE-1 fanno eccezione. Un percorso utilizza una Δ9-desaturasi (DesA) che catalizza la formazione di un doppio legame nei lipidi di membrana. Un altro percorso utilizza due proteine, DesC e DesB, insieme per agire come Δ9-desaturasi, che inserisce un doppio legame in una molecola di acido grasso-CoA saturo. Questa seconda via è regolata dalla proteina repressore DesT. DesT è anche un repressore dell’espressione di fabAB per la desaturazione anaerobica in presenza di acidi grassi insaturi esogeni. Questo funziona per coordinare l’espressione delle due vie all’interno dell’organismo.