Bioquímica del Metabolismo

La síntesis de colesterol

Contenido de esta página: formación de la HMG-CoA a mevalonato y la conversión
de conversión de mevalonato a los precursores de isoprenoides 
Síntesis de escualeno y su conversión en lanosterol 
conversión de lanosterol a colesterol 
isoprenoides no esteroideosReglamento de la síntesis de colesterol y la intervención farmacéutica

La síntesis del colesterol:Hidroximetilglutaril-coenzima A (HMG-CoA) es el precursor para la síntesis de colesterol. HMG-CoA también es un producto intermedio en la ruta para la síntesis de cuerpos cetónicos a partir de acetil-CoA. Las enzimas para la producción de cuerpos cetónicos están situados en la matriz mitocondrial. HMG-CoA destinado para la síntesis de colesterol se hace por equivalentes, pero diferentes, las enzimas en el citosol . HMG-CoA se forma por la condensación de la acetil-CoA y acetoacetil-CoA, catalizada por la HMG-CoA sintasa .

HMG-CoA reductasa cataliza la producción de mevalonato de HMG-CoA. El carboxilo grupo de hydroxymethylglutarate que está en vinculación con el éster de tiol de la coenzima A se reduce primero a un aldehído y luego a un alcohol . NADPH sirve como reductor en la reacción de 2-paso. Mevaldehyde se piensa que es un sitio activo intermedio, después de la primera reducción y liberación de CoA. HMG-CoA reductasa es una proteína integral de las membranas de retículo endoplásmico. El dominio catalítico de esta enzima permanece activa después de la escisión de la porción transmembrana de la enzima. La reacción de la HMG-CoA reductasa es limitante de la velocidad para la síntesis de colesterol. Esta enzima está altamente regulado y el objetivo de la intervención farmacéutica (que se discutirá más adelante).

Explore a la derecha de la estructura de la parte catalítica de la HMG-CoA reductasa.

HMG-CoA reductasa

El mevalonato es fosforilada por 2 transferencias secuenciales de fosfato desde el ATP, produciendo el derivado de pirofosfato. Pyrophosphomevolanate descarboxilasa cataliza la descarboxilación dependiente de ATP, con la deshidratación, para producir pirofosfato isopentenil .

Isopentenyl pirofosfato es el primero de varios compuestos en la vía que se hace referencia como isoprenoides , por referencia al compuesto isopreno .

Isopentenyl pirofosfato Isomerasa interinstitucional convierte pirofosfato isopentenil y dimetilalilo pirofosfato . El mecanismo implica la protonación seguido por desprotonación.

Prenil transferasa cataliza una serie de reacciones de condensación de cabeza a la cola.Dimetilalilo pirofosfato reacciona con pirofosfato de isopentenilo para formar geranilo pirofosfato . La condensación con otra pirofosfato de isopentenilo produce pirofosfato de farnesilo .

Se piensa Cada reacción de condensación para involucrar a un reactivo carbocatión formado como PP i es eliminado. Prenil transferasa (farnesil pirofosfato sintetasa) se ha cristalizado con el sustrato pirofosfato de geranilo unido en el sitio activo. Explore su estructura a la derecha.

Prenil transferasa

El escualeno sintasa cataliza la condensación de cabeza a la cabeza de 2 moléculas de pirofosfato de farnesilo, con la reducción de NADPH, para producir escualeno .

El escualeno epoxidasa cataliza la oxidación de escualeno para formar 2,3-oxidoescualeno . Esta oxidación de función mixta requiere NADPH como reductor y O ₂ como oxidante. Un átomo de oxígeno se incorpora en el sustrato (como el epóxido) y el otro átomo de oxígeno se reduce a agua.
El escualeno Oxidocyclase cataliza una serie de cambios de electrones, iniciados por la protonación del epóxido, dando como resultado la ciclación (diagrama p. 950). Estudios estructurales de una enzima bacteriana relacionada han confirmado que el sustrato se une al sitio activo de una conformación que permite la ciclación con sólo cambios modestos en la posición a medida que avanza la reacción. El producto de la reacción de ciclación es el esterol lanosterol .

La conversión de lanosterol a colesterol involucra 19 reacciones, catalizadas por enzimas asociadas con las membranas de retículo endoplasmático (. p 952).

Modificaciones adicionales producen las diversas hormonas esteroides o la vitamina D (Pág. 958).
Muchas de las reacciones implicadas en la conversión de lanosterol a colesterol y otros esteroides son catalizadas por miembros de la citocromo P ₄₅₀ superfamilia de enzimas . El genoma humano codifica57 miembros del citocromo P ₄₅₀ superfamilia, con la expresión específica de tejido y la localización intracelular altamente regulado. Algunas P ₄₅₀ enzimas se localizan en las mitocondrias. Otros están asociados con las membranas del retículo endoplásmico. 
Citocromo P ₄₅₀ enzimas catalizan varias reacciones oxidativas. Muchos son oxidaciones de función mixta (mono-oxigenaciones), que requieren O ₂ , así como un reductor tal como NADPH . Un átomo de oxígeno se incorpora en un sustrato y el otro átomo de oxígeno se reduce a agua.

Un ejemplo es la hidroxilación de un esteroide, como en la vía de electrones retículo endoplásmico transferencia representado a la derecha, NADPHtransferencias de 2 electrones para citocromo P 450 a través de un r eductase que tiene FAD y FMN grupos prostéticos.

Una cisteína S átomo normalmente sirve como un ligando axial (X o Y a la derecha) para el átomo de hierro de un citocromo P 450 hemo . La otra posición axial, donde S 2se une, puede ser abierta o tiene una cota H 2 O que se desplaza por O 2 . O 2 se escinde después de la unión a la reducción de hierro hemo del citocromo P 450 . En el ejemplo anterior, un átomo de oxígeno se reduce a agua, y un sustrato es hidroxilado. Para ver un diagrama del ciclo de reacción, ver el artículo de M. Coon (requiere Comentarios suscripción anual) .

Reacciones catalizadas por diferentes P 450 enzimas incluyen la hidroxilación, epoxidación , desalquilación, peroxidación, desaminación, desulfuración, deshalogenación, etc. P 450 sustratos incluyen esteroides, ácidos grasos poliinsaturados, eicosanoides, retinoides, y varios xenobióticos no polares (fármacos y otros compuestos extranjeros). Algunas P450 enzimas tienen amplia especificidad de sustrato. Mecanismos para la desintoxicación de compuestos no polares incluyen reacciones tales como hidroxilaciones que aumentan la polaridad , de modo que los productos de estas reacciones pueden ser excretados por los riñones. Explorar a la derecha de la estructura del dominio hemoproteína de un Bacillus magaterium citocromo P 450 .

Citocromo P 450

Los isoprenoides: farnesil pirofosfato , un intermedio en la ruta para la síntesis de colesterol, sirve también como precursor para la síntesis de diversos isoprenoides no esteroideos . La importancia de los otros productos de la ruta que se origina con mevalonato se refleja en enfermedades graves que resultan de defectos genéticos en esta vía.Proteínas prenylated covalentemente han vinculado geranilgeranil o farnesil grupos que anclan las proteínas a membranas (p. 403). Muchas proteínas implicadas en la señalización celular tienen tales anclajes lipídicos, incluidas las pequeñas proteínas de unión a GTP, tales como Ras.

Farnesil transferasa cataliza la transferencia de la fracción de farnesil pirofosfato de farnesilo a una cisteína residuo en un CaaX secuencia en elC-terminal de una proteína, "a" es un aminoácido alifático. Después de la posterior escisión de los tres aminoácidos terminales, el nuevo carboxilo terminal puede ser metilado , aumentando aún más la hidrofobicidad.

Algunos otros isoprenoides: Dolicol pirofosfato tiene un papel en la síntesis de cadenas de oligosacáridos de las glicoproteínas (p. 853-854). Se han propuesto funciones adicionales; dolicol se encuentra en muchas membranas de las células.

La coenzima Q (ubiquinona), que tiene una cadena lateral isoprenoide, funciones en la cadena de transferencia de electrones (p. 810, 823).Heme una , un componente de complejos de la cadena respiratoria, tiene una cadena lateral de farnesilo ( diagrama ).

La regulación de la síntesis de colesterol 
HMG-CoA reductasa , la etapa determinante de la velocidad en la ruta para la síntesis de colesterol, es un importante punto de control. Reglamento relativo a la captación celular de colesterol se discutirá en la próxima clase.
A corto plazo la regulación

• HMG-CoA reductasa es inhibida por la fosforilación , catalizada por la proteína quinasa dependiente de AMP (que también regula la síntesis de ácidos grasos y catabolismo ). Esta quinasa es activa cuando AMP celular es alta, lo que corresponde a cuando el ATP es baja. Por lo tanto, cuando el ATP celular es baja, la energía se gasta no en la síntesis de colesterol.

Larga regulación -TERM de la síntesis de colesterol es variada por la formación y la degradación de la HMG-CoA reductasa y otras enzimas de la ruta para la síntesis de colesterol.

• Regulado proteólisis de la HMG-CoA reductasa : Degradación de la HMG-CoA reductasa es estimulada por el colesterol, por derivados oxidados de colesterol, por mevalonato, y por farnesol (desfosforilado pirofosfato de farnesilo). HMG-CoA reductasa incluye un transmembrana dominio de detección de esterol que tiene un papel en la activación de la degradación de la enzima a través de la proteasoma. (El proteasoma se discute por separado en la sección sobre la degradación de proteínas.)
• Transcripción regulada : Una familia de factores de transcripción designados SREBP (proteínas de unión de elementos reguladores de esteroles) regulan la síntesis de colesterol y ácidos grasos. De estos, SREBP-2 principalmente regula la síntesis de colesterol . (SREBP-1c regula principalmente la síntesis de ácidos grasos .)
  Cuando los niveles de esteroles son bajos, SREBP-2 se libera por escisión de una proteína precursora unida a la membrana. SREBP-2 activa la transcripción de genes para la HMG-CoA reductasa y otras enzimas de la ruta para la síntesis de colesterol.

La proteína precursora de SREBP está incrustado en la membrana del retículo endoplasmático (ER) a través de dos transmembrana unas hélices (diagrama de la derecha).El dominio SREBP N-terminal, que se extiende en el citosol, tiene capacidad de factor de transcripción. El dominio C-terminal, también en el lado citosólico de la membrana, interactúa con un dominio citosólico de otra proteína de la membrana ER SCAP (proteína de escisión de activación de SREBP).

SCAP tiene un transmembrana esterol de detección de dominio homóloga a la de la HMG-CoA reductasa. Cuando se une a un esterol, el dominio de detección de esterol de SCAP se une la proteína de membrana ER Insig . Asociación con Insig hace que el complejo precursor de SREBP-SCAP a ser retenido dentro de la sala de emergencias.Cuando los niveles de esteroles son bajos, SCAP y Insig no interactúan. Esto permite que el complejo precursor-SCAP SREBP de trasladar desde el ER al Golgi aparato.

Proteasa S1P (sitio de una proteasa), una proteína integral de las membranas de Golgi, escinde el precursor SREBP en un sitio en el dominio luminal. Un intramembrane metaloproteasa de zinc dominio de otra proteasa golgi S2P (sitio 2 proteasa), entonces cataliza la escisión dentro del segmento transmembrana del precursor de SREBP, la liberación de SREBP al citosol. Sólo el producto de escisión S1P puede servir como un sustrato para S2P.El liberado SREBP entra en el núcleo de la célula, donde funciona como un factor de transcripción para activar genes para las enzimas de la vía de síntesis del colesterol. Su vida en el núcleo es breve, porque SREBP se ubiquitinated y degradadas(véanse las notas sobre la ubiquitina y el proteasoma ).

Para ver diagramas adicionales: p. 955 Voet y Voet libro de texto; artículo por PJ Espenshade (requiere J. Cell Sci. suscripción)

Dominio de unión al ADN homodimérico de SREBP interactuar con un segmento de ADN elemento regulador de esteroles. Datos de A. Párraga, L. Bellsolell, AR Ferre-D'Amare y SK Burley, 1998.

Las drogas utilizadas para inhibir la síntesis de colesterol incluyen inhibidores competitivos de HMG-CoA reductasa . Los ejemplos incluyen diversas estatinas drogas tales como lovastatina (Mevacor) y derivados (por ejemplo, Zocor), Lipitor, etc. Una porción de cada estatina es análogo en estructura a mevalonato o al mevaldehyde postulado intermedio (p. 957). Ensayos clínicos extensos han demostrado que los fármacos de estatinas disminuyen el colesterol en sangre y el riesgo de enfermedad cardiovascular disminuyen.
Desde farnesil y geranilgeranilo de membrana anclas son importantes para las proteínas de señal que regulan la progresión a través del ciclo celular, inhibidores de enzimas prenylating tales como farnesil transferasa se ​​están probando como fármacos contra el cáncer . Sin embargo, los efectos secundarios tóxicos pueden limitar la utilidad de este enfoque.