TEMA 10: METABOLISMO DEL COLESTEROL 1. INTRODUCCIÓN 2. BIOSÍNTESIS DEL COLESTEROL 1. FORMACIÓN DE MEVALONATO E ISOPRENOS ACTIVADOS 2. FORMACIÓN DE ESCUALENO 3. FORMACIÓN DE COLESTEROL 3. REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE COLESTEROL 4. BIOSÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS BILIARES 5. BIOSÍNTESIS DE LAS HORMONAS ESTEROIDEAS 6. METABOLISMO DE LA VITAMINA D 10.1. INTRODUCCIÓN Este compuesto es el otro constituyente lipídico importante de las membranas biológicas, de hecho su fluidez depende de la distribución de colesterol en las mismas. Por otra parte el sistema de anillos rígido confiere estabilidad a las membranas. El colesterol está formado por 27 at de C repartidos en cuatro anillos y una cadena lateral. Es un compuesto esteroírico, precursor de los ácidos y sales biliares, así como de hormonas esteroideas y de la vitamina D. Se encuentra en todos los tejidos de los animales pero no existe en los procariotas. Los requerimientos diarios necesarios de colesterol, se consiguen mediante su síntesis endógena, pero la mayoría del colesterol que se sintetiza se incorpora a la bicapa lipídica o se utiliza para la formación de ácidos y sales biliares. Otra pequeña parte se utiliza para la síntesis de hormonas esteroideas. Y una última se elimina sin degradar a través de la vesícula biliar. En los animales superiores la síntesis de colesterol tiene lugar en todos los tejidos, pero tiene especial importancia en el hígado e intestino. 10.2. SÍNTESIS DE LA MOLÉCULA DE COLESTEROL Los 27 at proceden del acetato, para lo cual se van formando distintos compuesto intermedios como son: La formación de estos compuestos esta dividida en tres etapas: 1. Se forma el mevalonato y el isopreno activado. 2. Se forma el escualeno 3. Se transforma en escualeno en lanosterol y este en colesterol La síntesis transcurre entre el citoplasma y retículo endoplásmico, donde se encuentran las enzimas que intervienen. Pero para ello se parte de otros compuestos sintetizados en la mitocondria, concretamente el acetil-coa, que se transporta al citoplasma en forma de citrato.
La primera etapa, este proceso tiene lugar en el citoplasma y las primeras reacciones son comunes con las de la cetogénesis, pero transcurren en compartimentos celulares diferentes. Dos moléculas de acetil-coa se condensan por la tiolasa dando acetoacetil- CoA que se condensa con otra molécula de acetil COA y se forma el β- hidroxi-β-metilglutaril-coa. Esto se lleva a cabo por la hidroximetilglutaril- CoA reductasa. Esta enzima actúa en presencia de dos mol. de NADPH; porque después de la hidrolisis del compuesto se libera coenzima A y el grupo carboxilo resultante se transforma en un hidroxilo. Así se forma el mevalonato. La hidroximetilglutaril-coa reductasa se encuentra unida a la membrana del retículo endoplásmico liso y cataliza la primera reacción dirigida exclusivamente a la síntesis del colesterol. Por eso esta cataliza la reacción limitante de la síntesis de colesterol, que es la formación del mevalonato. Esta reacción es totalmente irreversible por lo que esta enzima es la principal reguladora de todo el proceso de la síntesis de colesterol. Una vez formado el mevalobato, se forman los isoprenos activos. Mediante tres fosforilaciones consecutivas y se consumen 3 moléculas de ATP. Primero se forma el 5-fosfomevalonato y después 5-pirofosfomegalonato DIAPO En la tercera, el 5-pirofosfomevalonato, con el gasto de una tercera molécula de ATP da 3-fosfo-5- pirofosfomevalonato, el cual se descarboxila rápidamente y se forma el isopentenilpirofosfato. Este se isomeriza para transformarse en el dimetilalilpirofosfato, por el desplazamiento del doble enlace, por una isomerasa. Y a estos dos compuestos se los conoce como isoprenos activados.
En la segunda etapa, se forma el farnesilpirofosfato y escualeno. Esta etapa comienza con la condensación de los isoprenos activados, liberando la molécula de pirofosfato y se forma un compuesto de 10C. Este se condensa con otra molecula de geranilpirofosfato y se forma ya el compuesto de 15C, farnesilpirofosfato. Se trata de condensaciones cabeza-cola. Una vez formado el farnesilpirofosfato se dimeriza, mediante una condensación cabeza-cabeza consumiéndose una molécula de NADP, se libera una de las moléculas de pirofosfato y se forma el preescualenopirofosfato de 30C y luego este compuesto se reduce por el NADPH y se libera el otro pirofosfato. Así se forma el escualeno, compuesto lineal de 30C. Todo este proceso tiene lugar en el citoplasma pero la última enzima que interviene es la escualeno sintasa unida a la membrana del retículo endoplásmico. El farmesil pirofosfato, se utiliza también porque es un intermediario en la síntesis de ubiquinona y dolicol. En la tercera etapa, el escualeno que es lineal se cicla para transformarse en lanosterol a partir del cual se forma el colesterol. La primera reacción de esta etapa, es una oxidación en presencia de O 2 y NADPH, catalizada por una monooxigensa dependiente del citocromo P450. Formándose el epóxido escualeno. Después ciclación en dos pasos catalizada también por una ciclasa, y así obtenemos el lanoesterol que tiene 30C. Sin embargo el colesterol tiene 27 C por lo que el lanosterol sufre una serie de transformaciones catalizadas por un sistema enzimático que va a dar lugar hasta 19 reacciones diferentes, perdiéndose los 3 carbonos, metilos situados en el C4 y C14. Pero además se reduce el doble enlace de la cadena lateral y además también hay un desplazamiento del doble enlace del anillo b que pasa a situarse entre los carbonos del anillo C5 Y C6. Esta tercera etapa tiene lugar en el retículo endoplasmico donde se encuentran ancladas en las membranas las distintas enzimas que intervienen. El colesterol sintetizado en el hígado, parte se introduce a las membranas de los hepatocitos pero la mayor parte es exportada. Para ello el colesterol se tienen que esterificar en presencia de una acil-coa y la enzima que cataliza es la acilcoa colesterol acil transferasa : ACAT. Esta lo que hace es introducir un grupo acilo en el hidroxilo del C3. Así se obtienen los esteres de colesterol, que son compuestos más hidrofóbicos que el colesterol con lo cual se transportan fácil a otros tejidos o se almacenan en el hígado.
10.3. REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE COLESTEROL Hay que tener en cuenta que el colesterol del organismo procede en parte de la dieta y por otra de la síntesis endógena, y esta síntesis se regula por el colesterol aportado por la dieta y su posterior captación por las células. Por lo tanto la síntesis de colesterol depende de la concentración celular del mismo. La enzima clave en la síntesis es la β-hidroximetilglutarilcoa reductasa, que da lugar a la formación de mevalonato que constituye la etapa limitante en la síntesis del colesterol. Esta enzima se regula de múltiples formas que afectan tanto a la cantidad de enzima como a su actividad. La síntesis de la enzima, se regula tanto a nivel de la transcripción como de la traducción, de manera que cuando disminuyen los niveles de colesterol en el organismo se potencia la transcripción del gen que codifica a la enzima. Con lo cual se induce la síntesis de la enzima y por lo tanto la del colesterol. Sin embargo cuando aumentan se bloquea la liberación y se aumenta la degradación de un factor de transcripción importante de la enzima, y así disminuye la traducción de su RNA-mensajero, y cesa la síntesis de la enzima y por lo tanto la de colesterol. En cuanto a la degradación de la enzima, se estimula cuando aumentan los niveles de colesterol en sangre, porque en estas situaciones la estructura de la enzima cambia de conformación y este cambio facilita su unión a la ubiquitina y su liberación de la membrana del retículo endoplasmico para su posterior degradación por el proteasoma. En cuanto a la actividad de la enzima, se regula mediante fosforilacion y defosforilacion, concretamente la defosforilacion inactiva a la enzima, se lleva a cabo en presencia de ATP que da ADP, de manera que la forma activa de la enzima es la defosforilizada. Esta se lleva a cabo por una proteína kinasa dependiente de AMP (AMPkinasa). Esta enzima se estimula cuando hay déficit energético, porque en estas situaciones aumenta la concentración de AMP. Por el contrario, la AMPkinasa se inhibe cuando aumenta la carga energética celular, cuando aumenta la concentra de ATP. Por lo tanto cuando hay demanda energética cesa la síntesis de colesterol. Esto ocurre en todos los lípidos, cuando hay demanda o déficit energético se inhibe la síntesis de los lípidos en favor de su degradación. Pero la enzima reductasa tiene también inhibidores específicos, que son las estatinas. Estos fármacos se utilizan frecuentemente para disminuir los niveles de colesterol en sangre, son análogos estructurales del mevalonato, que se unen al centro activo de la enzima y producen una inhibición competitiva. Dentro de este grupo las más conocidas son las lovastatina, pravastatina, etc.
La síntesis de colesterol también se va a regular por receptores sensibles a la presencia de colesterol en sangre, porque el colesterol se transporta desde el hígado a los distintos tejidos a través de la sangre unido a lipoproteínas concretamente, en el caso del colesterol, se transporta unido a las LDL. Las distintas células tienen receptores específicos para las LDL, con lo cual regulan la entrada de colesterol a las células, regulando de esta forma la síntesis. Por lo tanto la homeostasis del colesterol se mantienen mediante la coordinación del colesterol aportado por la dieta, de su síntesis principalmente en el hígado y de la entrada del mismo a las células. *Hay que tener en cuenta que las células no pueden degradar el anillo esteroirico con lo cual el colesterol tiene que ser utilizado bioquímicamente o ser excretado por el hígado, para esto ultimo el cole y otros compuestos esteroiricos se tienen que transformar en otros compuestos mas solubles que faciliten su eliminación. Asi la principal forma de degradación y eliminación del colesterol es la síntesis de los ácidos biliares. 10.4. BIOSÍNTESIS DE LOS ÁCIDOS BILIARES Estos ácidos biliares se sintetizan en el hígado, y se forman a partir del colesterol mediante hidroxilaciones. Estas van seguidas de otras reacciones que dan lugar a la formación del ácido cólico (no aprender estructura) El ácido cólico que junto con el ácido quenodexosicolico, constituyen los ácidos biliares más abundantes. Una vez formados los ácidos biliares en el hígado se activan en presencia de ATP y coenzima A y se transforman en sus derivado acil-coa y una vez activados se conjugan con los aa: glicina o taurina (derivado cisteína). Con la glicina, se forma el glicocolato y la taurina,. Y estas constituyen las sales biliares, que se almacenan en la vesícula biliar y luego son transportadas al intestino. Las sales biliares son agentes emulsionantes importantes con lo cual facilitan la absorción y digestión de los lípidos de la dieta. Otro tratamiento eficaz para disminuir los niveles de colesterol en sangre consiste en la administración de colestiramina, es una resina de intercambio iónico que se une muy fácilmente a los ácidos biliares del intestino. Así estos ac biliares forman unos complejos muy insoblubes que se eliminan por las heces. Hay que tener en cuenta que los ac biliares del intestino son recaptados por el hígado a través de la circulación enterohepática, por lo tanto si estamos inhibiendo la recaptacion hepática de los ac biliares por la colestiramina, entonces se tienen que estimular la síntesis de los ac biliares a partir del colesterol, con lo cual se está consumiendo colesterol de manera que asi disminuye su nivel en sangre. Un tratamiento muy eficaz para disminuir el nivel de colesterol en sangre, consiste en la administracion conjunta de colestiramina y lovastatina, así estamos inhibiendo la síntesis de colesterol pero a su vez estamos estimulando la transformación de colesterol en ac biliares.
10. 5.BIOSÍNTESIS DE HORMONAS ESTEROIDEAS El colesterol es precursor de las cinco clases de hormonas esteroideas: Estas hormonas se sintetizan en las gónadas o en la corteza suprarrenal. Para ello el colesterol en las mitrocondrias se transforma en pregnenolona que se transporta al retículo endoplasmico y allí se sintetizan el resto de las hormonas. Así el primer paso de la síntesis, es una oxidación catalizada por una oxidasa de función mixta que actúa en presencia de dos moléculas de O 2, por lo tanto cataliza dos hidroxilaciones. Los otros dos átomos de O se liberan en forma de agua. De esta forma el colesterol se transforma en dihidroxicolesterol. La transferencia de electrones del NADP al citocromo tiene lugar a través de la adrenodoxina y la adrenodoxina reductasa. Una vez forma el dihidrocolesterol, es sometido a la acción de un complejo enzimático en las mitocondrias, que se denomina desmolasa. Este complejo lo que hace es hidrolizar al dihidro entre los dos grupos hidroxilos, y va seguida de una oxidación. La hidrolisis da lugar también al acortamiento de la cadena lateral que se elimina en forma de isocaproaldehido y el resto de la molécula queda en forma de pregnenolona. La pregnenolona, se transporta al retículo endoplásmico y se transforma en progesterona. Y a partir de esta también en el retículo se forman el resto de las hormonas esteroideas. Se sintetizan mediante hidroxilaciones.
10.6. METABOLISMO DE LA VITAMINA D Otro de los destinos importantes del colesterol es la síntesis de la vitamina D3, colecalciferol. Y se sintetiza a partir del 7-D-hidrocolesterol de la piel que por exposición a la luz solar, sufre una hidrolisis no enzimática que afecta al anillo B, se hidroliza y se obtiene la previtamina D3 que se isomeriza. La forma biologicamente activa de esta vitamina es el calcitriol, 1,25-dihidroxicolicalciferol Para ello la vitamina D3 formada en la piel, junto con la aportada por la dieta es transportada al hígado y sufre una hidroxilación por una monooxigenasa del retículo endoplasmico, formándose el 25- hidroxicolecalciferol que se transporta a los riñones y sufre otra hidroxilacion por una monooxigensa de las mitocondrias del túbulo proximal. El calcitriol es transportado a otros tejidos donde también ejerce su acción, por lo que se le considera como una prohormona. Así el calcitriol desencadena una serie de actividades por mecanismos semejantes a los utilizados por las hormonas esteroideas. Para ello se une a receptores específicos situados en las membranas plasmáticas, y forma complejo que se desplaza al núcleo y en el intestino estimula la transcripción de los genes que codifican las proteínas transportadoras de Ca y P. De esta forma favorece la absorción de estos iones a través de la mucosa intestinal. Pero también actúa en los huesos y aquí el calcitriol facilita la captación de Ca en los osteoblastos y en los riñones que es donde se produce facilita la reabsorción del Ca a través del filtrado glomerular. De esta forma el calcitriol regula la concentración de Ca y P. Con lo cual va a controlar el crecimiento y desarrollo de los huesos. Es por esto que un déficit de vit D3 produce la malformación ósea conocida como raquitismo.