UVOD

Prvi znani sterol, holesterol je bil odkrit leta 1816, ko je francoski kemik M.E. Chevreul ugotovil, da je glavna sestavina žolčnih kamnov bela kristalinična snov, topna v alkoholu in etru. To do takrat neznano snov so imenovali cholesterine (chole gr.-žolč, sterols gr.-trden). Empirično formulo C27H46O je odkril F. Reinitzer leta 1888. Končno ime pa je holesterol dobil leta 1859, ko so ugotovili, da je snov alkohol. A. Windaus in H. Wieland sta v prvi polovici prejšnjega stoletja popolnoma razvozljala strukturo holesterola. Z odkritjem strukture holesterola leta 1932, se je začelo raziskovanje biosinteze.

ZNAČILNOSTI

Holesterol s strukturno formulo C 27 H 45OH ima molekulsko maso 387 g/mol , ima 8 kiralnih centrov, tali se pri 149-1510C, je slabo topen v vodi, vendar je dobro topen v številnih organskih topilih, kot sta etanol in kloroform in je brez vonja in okusa. Strukturo holesterola predstavlja ciklopentanofenantrenski obroč (steroidno jedro iz štirih obročev) z OH skupino na C-3, dvojno vezjo med C-5 in C-6 in alifatsko stransko verigo. Obroči steroidnega jedra so združeni v trans konfiguraciji, kar naredi molekulo planarno in rigidno, izjema je le stranska veriga s šestimi ogljikovimi atomi. Ime holesterol name že marsikaj pove. Beseda holos v gršèini pomeni žolč. Drugo informacijo pa nam da končnica -ol, ki pomeni organsko spojino s hidroksilno skupino. Holesterol res najedemo v žolču, možganih, živèevju in nasploh v celiènih membranah. V možganih ga je menda 10, vendar njegova vloga tam še ni pojasnjena. V celotnem telesu ga je skupaj kar okrog 1/4 kilograma; delno je prost, delno zaestren. Nekaj holesterola dobimo s hrano, zlasti iz jajčnih rumenjakov in živalskih maščob. Količina je močno odvisna od sestavin hrane. Holesterol sintetizirajo tudi jetra in druga tkiva - 3 do 5 g na dan. 80 se ga pretvori v soli žolčnih kislin
Holesterol je nujen metabolit in strukturni lipid pri višjih evkariontih, saj je sestavina celičnih membran, predhodnik steroidnih hormonov, vitamina D, oksisterolov in žolčnih kislin, kovalentno pa se veže tudi na proteine hedgehog, ki so kot signalne molekule pomembni v embrionalnem razvoju. V plazemski membrani je holesterol vključen med molekule fosfolipidov in zmanjšuje gibanje njihovih acilnih skupin in tako zmanjšuje fluidnost membran. Voluminozni steroidni obroč je nameščen v nepolarni sredici membrane, polarna OH-skupina pa tvori H-vez s karbonilnim kisikom polarnih glav fosfolipidov. S tem ko se vrine med ostanke maščobnih kislin, prepreči njihovo kristalizacijo. Holesterol neposredno vpliva na funkcijo membranskih proteinov. Skupaj s sfingomielinom je navzoč tudi v kromatinu, tam njegova količina naraste 6-18 ur po začetku regeneracije jeter po njihovi delni odstranitvi. V rakastih celicah količina holesterola naraste, ker njegova negativna povratna zanka ne deluje. Za življenje živali je holesterol nujen, njegovo odlaganje v žilah pa je povezano s kardiovaskularnimi boleznimi in kapjo, ki sta med najbolj pogostimi vzroki za smrt ljudi v razvitem svetu. Po drugi strani pa prenizke koncentracije holesterola v krvi povezujejo z višjo stopnjo tveganja za samomor.
Več kot 20 vsega holesterola v telesu se pri sesalcih nahaja v možganih in živčnem sistemu, kjer je glavna sestavina mielina in je večinoma neestrificiran. Fiziološko pomembnih funkcij pa nima le holesterol in njegovi metaboliti oz. derivati (žolčne kisline, oksisteroli, steroidni hormoni in proteini hedgehog), pač pa so fiziološko pomembni tudi intermediati biosintetske poti holesterola.




BIOSINTEZA HOLESTEROLA

Biosinetzo holesterola so znanstveniki lahko začeli raziskovati šele, ko so razvili tehnike za uporabo težkih izotopov kot je npr. devterij, tritij, C14,…Leta 1942 sta K. Bloch in D. Rittenberg dokazala da se acetat označen z devterijem vključi v obroč in alkilno stransko verigo holesterola. Sledilo je odkritje da vseh 27 ogljikov izvira iz acetata, 15 iz metilne skupine in 12 iz karboksilne skupine. Novo pomembno odkritje Bloch-a je bilo, da je skvalen predhodnik holesterola. V letu 1956 so bile znane glavne poti biosinteze holesterola, ko so ugotovili, da je predhodnik tudi izopentenil pirofosfat. Zdaj je bilo na vrsti odkrivanje podrobnosti v biosintezi holesterola.
Živalske celice dobijo holesterol z biosintezo iz Ac-CoA ali pa iz eksogenih virov z receptorsko posredovano endocitozo lipoproteinov z nizko gostoto LDL. V biosintezi sodeluje več kot 30 različnih encimov in večje število kofaktorjev. Zarodek lahko dobi do 20 potrebnega holesterola od matere, a le malo tega dobijo možgani. Zato mora zarodek večino potrebnega holesterola sintetizirati sam. Holesterol se sintetizira v vseh sesalskih celicah, ki imajo jedro vendar so najpomembnejši organ pri njegovi sintezi jetra. Biosinteza holesterola poteka v endoplazemskem retikulumu iz Ac-CoA. Vsaj nekaj začetnih reakcij pa lahko poteče tudi v peroksisomih. Steroli se pri vseh živih organizmih sintetizirajo iz ocetne kisline, preko mevalonata in skvalena(skvalen je predhodnik holesterola). Že leta 1960 pa sta G. Popjak in J. Cornforth ugotovila, da obstaja 16384 teoretično možnih stereokemičnih poti, preko katerih se mevalonat spremeni v skvalen, odkrila pa sta tudi, katere od teh možnosti v resnici tudi potečejo. Iz možnih cis in trans konfiguracij izopentil pirofosfata je vedno potekla reakcija s trans konfiguracijo. Kot pri sintezi vseh izoprenoidov, se sinteza holesterola začne iz Acetil-CoA.Viri Ac-CoA so glukoza, maščobne kisline in ketogene aminokisline. Biosintetsko pot holesterola lahko razdelimo na svalenski del in po-skvalenski del. Skvalenski del biosinteze je dobro preučen. Šele v zadnjih letih je bilo kloniranih in karakteriziranih več genov, ki kodirajo encime pozna faze biosinteze holesterola. Pri sesalcih doslej poznani geni lanosterol-14α-demetilaza, sterol-14-reduktaza, sterol-5-desaturaza, sterol-8,7-izomeraza, sterol-7-reduktaza, sterol-24,25-reduktaza, C4-metil-oksidaza, ter gen Nsdhl, ki kodira sterol-C3-hidrogenazo. Hitrost določujoči encim biosinteze holesterola je HMG-CoA-reduktaza, katere aktivnost je zelo natančno uravnavana na ravni izražanja gena, postranslacijskih modifikacij, z inhibitorji, stabilnostjo mRNA, hitrostjo razgradnje potroteina, itd. Zaradi široke substratne specifičnosti encimov, njihovo zaporedje v biosintezni poti še ni do konca razjasnjeno. Najverjetneje sta tako substratna specifičnost kot zaporedje reakcij v različnih tkivih različna.
Skvalenski del biosinteze holesterola:
Holesterol vsebuje 27 C atomov, od katerih vsi izvirajo iz acetata. V skvelenem delu poti se iz treh C2 acetatnih enot sintetizirajo C5 izoprenoidne enote, ki se združijo v C30 skvalensko molekulo.
Lanosterol je prvi ciklični produkt v biosintezi sterolov pri živalih in glivah, pri rastlinah pa je to sikloartenol. Pri cikličnem razvoju skvalena v lanosterol je potreben kisik. Kisik se porablja pri biosintezi 3-hidroksilne skupine, kot tudi za oksidativno odstranitev metilne skupine pri ogljiku C14 in dveh metilnih skupin, ki se nadomestita z ogljikom C4 iz štiriobročne krožne strukture. Lanosterol je manj učinkovit kot holesterol.
Steroli, ki uspešno sodelujejo z fosfolipidi bolj spremenijo fizično stanje membrane kot kot molekula, ki je slabše nastanjena. Lanosterol, prvi produkt v biosintezi sterolov, se najmanj prilega membrani, medtem ko se holesterol, ki je končni produkt, prilaga najbolj. Prileganje polovično demetiliranih intermediatov je vmes. Merjenja so bila opravljenja v leti 1970 in 1980 na umetnih in »pravih« membranah. Raziskave v 20. Stoletju so dokončno definirale biosintezo in pojasnile funkcionalno pomembnost sterolov za evolucijo. Odkrili so, da je biosinteza holesterola reguliran proces. Enote acetil-CoA se preoblikujejo v mevalonat s serijo reakcij, ki se začne s sintezo HMG CoA (hidroksi-metil-glutaril koencim A). za razliko od HMG-CoA, ki se tvori tekom ketogeneze v mitohondriju, se le-ta sintetizira v citoplazmi. V zadnji četrtini 20.stoletja sta M. Brown in J. Goldstein odkrila receptor za lipoprotein majhne gostote LDL (low density lipoprotein). Ta receptor je odgovoren za dojemanje plazemskih LDL v lizosome v celicah, kjer so degradirano veliki apolipoproteini (apo B) in estri holesterola. Holesterol zapusti lizosome in povzroči zmanjšanje v izraznosti genov za HMG-CoA reduktazo in LDL receptorje. Temu sledi še povratna regulacija biosinteze holesterola povezana z odstranjevanjem holesterola iz plazme. Osnovni in verjetno najpomembnejši način uravnavanja biosinteze poteka preko negativne povratne zanke holesterola. Najpomembnejši člen te zanke so transkripcijski faktorji SREBP (SRE-od sterolov odvisni DNA regulatorni element, SREBP- SRE – vezavni proteini), ki kodirano uravnavajo izražanje genov biosinteze holesterola, kar je bilo do nedavnega bistveno bolje dokazano za predskvalenski del biosintetske poti. V zadnjih nekaj letih pa je različnim skupinam, ki so klonirale in karakterizirale gene poznega dela biosintetske poti, uspelo potrditi, da transkripcijski faktorji SREBP uravnavajo tudi izražanje teh genov. V nekaterih patofizioloških okoliščinah, kot je npr. rak, negativna povratna zanka holesterola odpove in celice sintetizirajo holesterol neodvisno od aktivnosti transkripcijskih faktorjev SREBP. Molekularni mehanizem in fiziološki pomen takega uravnavanja izražanja genov biosinteze holesterola ni znan, verjetno pa je pomemben zaradi biosinteze izoprenoidnih derivatov (farnezil-difosfat, dolihol,…), ki jih tumorske celice potrebujejo za proliferacijo in preživetje.
Holesterol reagira s proteini na endoplazmatskem retikulumu in golgijevem aparatu, ki se imenujejo SREBP in povzročijo cepitev aktivnega proteina,ki vpliva na aktivnost proteaze, ki cepi prekurzor SREBP. Ko je količina holesterola v plazmi ustrezna, proteaza ni aktivirana in zato SREBP niso sproščeni in potujejo do jedra(jedrca). Rezultat je izraz genov za HMG-CoA reduktazo in zato LDL receptor in vzbujen. Ko se meje holesterola znižajo ali zvišajo, se SREBP prekurzor se cepi, SREBP potuje do jedra in izražanje teh genov je pospešeno. Količine holesterola v celicah zazna SCAP-SREBP (cepitev aktivirajoči protein) in povratno regulira biosintezo holesterola.

BOLEZNI POVEZANE S HOLESTEROLOM

Količina holesterola v telesu mora biti zelo natančno uravnana. Če ga je preveč, se pojavi hiperholesterolemija, ki vzrok arterioskleroze. Pacienti z dedno hiperholesterolemijo imajo napako v delovanju LDL receptorja. Celice niso sposobne prevzeti holesterola iz LDL v plazmi in posledično se biosinteza holesterola ne zmanjša. Katastrofična posledica je veliko povečanje holestrola v plazmi kar vodi do prehitre arterioskleroze in predčasne smrti.
Ker je holesterol kot pravi predstavnik maščobe seveda v vodi netopen, se mora po krvi prenašati v posebnih prenašalcih, ki jih imenujemo lipoproteini. Za razvoj ateroskleroze - mašenja žil - je najnevarnejši t.i. lipoprotein nizke gostote (angl. Low Densitiy Lipoprotein) ali LDL. LDL delci namreč po krvi prenašajo največ (75) holesterola in ga odlagajo v steno arterije in s tem povzročajo arteriosklerozo. Več takšnih nizko gostih lipoproteinov imamo v krvi, več holesterola se lahko odloži v stene žil, zato LDL holesterolu dostikrat nadenemo tudi imena slabi, nevarni ali najbolj aterogeni holesterol.
Ateroskleroza nastane zaradi tvorbe atermonov, maščobnih oblog, ki v osnovi vsebujejo holesterol, ki se nalaga na notranje stene arterij. Žilna stena se zaradi ateroma zadebeli in otrdi, zato se manj krvi prenaša npr. po venčnih arterijah in srce bije hitreje, da bi nadomestilo primanjkljaj krvi. Pri pospešenem bitju srce potrebuje več kisika, če pa ni kisika, nekateri deli srčne stene odmrejo in jih nadomesti vezivno tkivo. Hrana z veliko nasičenimi maščobami pospešuje nastajanje ateromov. Ateromi se pospešeno tvorijo tudi zaradi kajenja in zvišanega krvnega tlaka. Ateroskleroza v najhujšem primeru pripelje do infarkta.
Zanimivo je, da se v žilni steni še predvsem radi zadržujejo oksidirani delci LDL, kar je dalo osnovo za znanstveno domnevo, da bi snovi, ki preprečujejo to mašenje žil- t.i. antioksidanti - lahko preprečevale tudi razvoj ateroskleroze. Prvi rezultati so vzpodbudni in zaenkrat sta se pri zaviranju procesa arteroskleroze še najbolj izkazala dva znana antioksidanta koencim Q 10 in vitamin E. Ker pa ima vse v naravi osnovno danost za ravnotežje, obstaja tudi v primeru prenašalcev holesterola po naši krvi t.i. dobri, zaščitni ali antiaterogeni holesterol; gre za lipoproteine visoke gostote ali s kratico HDL ( high density lipoproteins), ki omogočajo, da se presežek holesterola prenaša iz različnih tkiv in tudi iz žilne stene nazaj v jetra, od koder se lahko izloči iz organizma. Manj imamo tega zaščitnega lipoproteina, manjša je naša sposobnost "čiščenja", odstranjevanja holesterola iz žilne stene in večje je naše tveganje za razvoj ateroskleroze.
Povzamemo torej lahko, da je v izogib zvečanemu tveganju za bolezni srca in ožilja dobro imeti čim več dobrega, visoko gostega HDL, ter čim manj nevarnega, nizko gostega LDL holesterola. Optimalne vrednosti maščob v krvi si po novejših evropskih priporočilih lahko zapomnimo s preprostim padajočim zaporedjem 5-3-2-1. Tako naj bi bilo skupnega holesterola v naši krvi manj kot 5 enot, slabega LDL holesterola manj kot 3, trigliceridov (to so neholesteorlne maščobe) manj kot 2 in dobrega HDL holesterola pa vsaj 1 enoto (milimol na liter).

Znanih je že tudi nekaj obolenj, kjer so poškodovani geni, ki kodirajo encime biosintetske poti holesterola. Mevalonsko acidurijo povezujejo s pomanjkanjem mevalonat-kinaze, bolniki imajo skeletne nepravilnosti, raven holesterola pa je skoraj normalna. Smith-Lemli-Opitzev sindrom je prirojena bolezen in povzroči smrt v prvem letu življenja. To obolenje je pozeano z okvaro sterol-∆7-reduktaze, ki povzroča mikroencefalijo, obrazne nepravilnosti, otroci imajo nepravilno razvite spolne organe, srce, pljuča in ledvice, akumulira se 7-dehidro-holesterol. Znane pa so še bolezni dezmosteroloza, ki jo povzroča disfunkcija sterol-∆24,25-reduktaze (akumulacija dezmosterola v krvi), Conradi-Hunermannov sindrom, ki ga povzroča mutacija sterol-∆7,8-izomeraze, in skeletna displazija (mutacija sterol-∆14-reduktaze).

OBOLENJE PRIZADETI GEN
Mevalonska acidurija Mevalonat-kinaza
Smith-Lemli-Opitzev sindrom Sterol-∆7-reduktaza
Conradi-Hunermannov sindrom Sterol-∆8,7-izomeraza
Greenbergova skeletna displazija Sterol-∆14-reduktaza ()
Bpa/Str C3-dekarboksilaza (Nsdhl)
Antley-Bixlerjev sindrom Lanosterol-14α-demetilaza ()
Latrosteroloza Sterol-∆5-desaturaza
dezmosteroloza Sterol-∆24,25-reduktaza










LITERATURA:


• Fink, M.: Od holesterola neodvisno uravnavanje izražanja človeškega gena za lanosterolno 14α –demetilazo (CYP51); 2002
• Fon Tacer, K.: Tkivno-specifično uravnavanje izražanja holesterogenih genov; 2002
• Vance, E. D., Van den Bosch, H.: Cholesterol in the year 2000