METABOLISMI TESSUTO-SPECIFICI Ogni tessuto ha una sua funzione specifica che riflette la sua funzione specifica che si riflette nella sua anatomia e nella sua attività metabolica.

mantenimento potenziale di membrana, invio segnali ad altri organi ruolo centrale nel metabolismo Intestino tenue: assorbimento dei nutrienti Sistema linfatico: trasporto dei lipidi dall’intestino al fegato T. Adiposo sintesi, raccolta e molbilizzazione dei trigliceridi lavoro meccanico mediante utilizzazione di ATP

Riepilogo delle principali vie metaboliche

FEGATO Funzioni metaboliche del fegato Metabolismo dei carboidrati Metabolismo dei lipidi Metabolismo delle proteine Metabolismo eme Deposito Fe Fattori coagulazione Detossificazione Deposito vitamina

Fegato Organo altruista Centralità funzionale Grande flessibilità metabolica Modulazione dell’espressione degli enzimi avviene a una velocità 5-10 superiore a quella degli altri tessuti La vena porta è la via di trasporto che collega gli organi della digestione con il fegato

Vie metaboliche che utilizzano glucosio nel fegato

Il fegato tampona i livelli di glucosio nel sangue Assume e rilascia glucosio in risposta agli ormoni e alla concentrazione di glucosio Glucosio è intrappolato nel fegato come G-6-P dalla glucochinasi Glucochinasi ha un’alta Km ( 5 mM: bassa affinità) per il glucosio e non è inibita da G6P.Attività aumenta con la concentrazione del glucosio. Esochinasi in molte cellule hanno un’alta affinità per il glucosio (Km ~ 0.1 mM:alta affinità) e sono inibite da G6P Ad alta [glucosio], il fegato assume glucosio a una velocità più o meno proporzionale alla sua concentrazione

Metabolismo degli amino acidi nel fegato

Metabolismo dei lipidi nel fegato

Catabolismo dell’eme L’eme viene trasformato in bilirubina. Il 75% della bilirubina deriva dall’emoglobina degli eritrociti vecchi che vengono fagocitati dai macrofagi della milza, del fegato e del midollo osseo. 1.2 108 eritrociti /ora distrutti (6g di emoglobina /die) Concentrazione plasmatica di bilirubina: 1 mg/dl Se la concentrazione di bilirubina supera 3 mg/dl si ha l’ittero (riconoscibile dalla colorazione gialla della pelle)

La bilirubina è il prodotto del metabolismo dell’eme, il gruppo prostetico dell’emoglobina. È un pigmento giallo-verde che dà il colore alla bile stessa. Prende origine dalla distruzione dei globuli rossi ad opera dei macrofagi: il gruppo dell’eme viene aperto: Il ferro viene catturato dalla transferrina La catena lineare di 4 anelli pirrolici viene metabolizzata a Biliverdina Bilirubina

La bilirubina, nel giro di poche ore, viene quindi catturata dal fegato dove viene coniugata, essenzialmente con acido glucuronico: la bilirubina glucuronide viene escreta nella bile

Eme Catabolismo dell’eme Fe (pool) emoglobina urine biliverdina rene Feci sangue bilirubina (insol) Bilirubina/albumina stercobilina (colorato) fegato intestino stercobilinogeno Bilirubina/ac. glucuronico (incolore) Canalicolo biliare

Ittero L’ittero è inequivocabilmente evidente su base clinica quando la concentrazione plasmatica di bilirubina è supera la soglia di 3 mg/dl Classificazione: Pre-epatico: eccessiva produzione di bilirubina conseguente a episodi emolitici Intra-epatico: riflette una disfunzione epatica generalizzata Post-epatico: provocata dalla ostruzione delle vie biliari

Pre-epatico cause: emolisi Intra-epatico cause: infezione epatiti (molto comune) sostanze chimiche alcol comune) difetti genetici metabolismo bilirubina sindrome di Gilbert (1/20) sindrone di Grigler (raro) sindrome di Dubin-J (raro) sindrome di Rotor (raro) proteine specifiche morbo di Wilson (1/200.000) neonatale fisiologico (molto comune) autoimmune epatite cronica Post-epatico cause: dotti biliari intraepatici farmaci (molto comune) cirrosi dotti biliari extraepatci calcolosi cistifellea (comune)

I difetti genetici sono associati ad anomalie nella coniugazione o nella secrezione delle bilirubina. Sindrome di Gilbert (5% delle popolazione) consiste in un modesto aumento della bilirubina non coniugata a causa di una diminuita attività della UDP-glucuronil trasferasi Sindrome di Crigler-Najjar è causata dall’assenza completa o dalla marcata diminuzione delle capacità di coniugazione delle bilirubina (può essere fatale) Ittero neonatale (comune nei neonati) dovuto alla immaturità del sistema enzimatico responsabile della coniugazione della bilirubina. La bilirubina non coniugata è tossica per il cervello e provoca uno stato patologico (kernittero). Fototerapia con UV per ossidare la bilirubina

Azione detossificante del fegato: metabolismo dell’Etanolo E’ un alcol a elevato contenuto energetico (7kcal/g), intermedio fra quello dei glucidi e dei lipidi, Non viene accumulato, viene subito eliminato attraverso le urine, l’aria e metabolizzato 80% del metabolismo avviene nel fegato (2 mmoli di alcol/g di tessuto/ min) e in minor misura nella mucosa gastrica, polmoni e rene Viene assorbito dal cavo orale, stomaco e intestino tenue per semplice diffusione La velocità di assorbimento è proporzionale alla quantità ingerita

Alcol deidrogenasi: dimero di 4 distinte catene polipeptidiche, ognua delle quali ha 4 atomi di Zn :2 per legare etanolo e NAD e 2 per stabilizzare la struttura terziaria) Alcol + NAD+ NADH + H+ + acetaldeide Diverse forme di acetaldeide deidrogenasi. matrice mitocondri (Km<1mM) membrana mitocndri (Km 2mM) citoplasma Km elevata Concentrazione elevata di etanolo

Etanolo + H2O2 acetaldeide + 2acqua Nel fegato sono presenti altri due enzimi in grado di trasformare l’etanolo in acetaldeide che sono attivi solo ad elevata concentrazione di alcool: -catalasi, che utilizzando H2O2 ha anche un ruolo detossificante alcool idrossilasi a funzione mista (MEOS:sistema microsomiale ossidante etanolo), che utilizza O2 e NADPH e costituisce il sistema microsomiale ossidante dell’etanolo: etanolo + NADPH + H+ + O2 acetaldeide + NADP+ + H2O Etanolo + H2O2 acetaldeide + 2acqua Meos è un sistema specifico che catalizza anche la detossificazione di molti farmaci e composti tossici ed inducibile dell’etanolo stesso

Cambiamenti metabolici durante l’ossidazione dell’etanolo 1-Aumento del rapporto NADH/NAD+ (spostamento del potenziale redox verso uno stato più ridotto, condizione che determina variazioni nel rapporto di substrati NAD dipendenti)                                                                                                                           

2-Aumento della sintesi di acidi grassi e trigliceridi 3-blocco della gluconeogenesi 4-inattivazione della glutammico deidrogenasi

5- formazione di radicali liberi dell’ossigeno e il radicale idrossietilico, responsabili entrambi dell’aumento dei processi di perossidazione lipidica  e di una riduzione delle difese antiossidanti del fegato Riduzione difese antiossidanti del fegato

Azione Detossificante del fegato: Metabolismo degli xenobiotici Il fegato presiede alla rimozione di svariate sostanze "non nutritive" presenti nell’organismo riducendone o annullandone l’eventuale tossicità. Le reazioni di biotrasformazione di farmaci, ormoni steroidei, steroidi endogeni e sostanze tossiche, comprendono processi di detossicazione esplicati mediante idrossilazioni, ossidazioni, riduzioni coniugazioni che avvengono principalmente nei microsomi del fegato.

SH + O2 + NADPH + H+ S-OH + H2O NADP+ Reazione della fase I: IDROSSILAZIONE SH + O2 + NADPH + H+ S-OH + H2O NADP+ Serie successiva di reazioni red-ox: SOH NADPH+H+ Flavoproteina ossidata P450-Fe3+ NHP-Fe2+ SH H2O P450-Fe2+ Flavoproteina ridotta NHP-Fe3+ NADP+ O2 Il 50% dei farmaci viene metabolizzato con il sistema P450

Protezione da danno ossidativo Nella cellula si formano radicali liberi provenienti da parziale riduzione dell’O2 molto reattivi e tossici per lipidi, acidi nucleici, proteine Mitocondri sono molto esposti a questo danno In condizioni normali se ne formano pochi e sono rapidamente rimossi In particolari condizioni si formano molti radicali liberi con uno o più elettroni spaiati e molto reattivi radicale superossido molto reattivo e non tossico poiché rimosso dalla SOD (superossido dismutasi) da questo radicale si formano altri specie reattivi e tossici, come l’ossigeno singoletto, molto reattivo e tossico

Rimozione di acqua ossigenata

Nell’uomo, esistono 15 o più isoenzimi CYP450, che differiscono, parzialmente, per specificità, induttori, inibitori.

Ciascun isoenzima è caratterizzato dai substrati metabolizzati, dagli induttori ed inibitori. Tuttavia, data la scarsa specificità delle varie isoforme, spesso 2 o più isoforme partecipino al metabolismo di un singolo xenobiotico. Le varie isoforme possono catalizzare reazioni diverse sullo stesso substrato. In molti casi predomina il metabolismo operato da un’isoforma. Il contributo delle varie isoforme dipende dai valori di Km e Vmax.

Variabilità del CYP450 Fattori genetici (variabilità interindividuale) Se il metabolismo di un farmaco è regolato principalmente da un solo gene (un solo enzima o isoenzima), si possono avere tre casi generali: 1. Il gene è presente in una sola forma, espressa in modo simile in tutti gli individui; 2. Il gene è presente, nella popolazione, in due o più forme (alleli), i cui prodotti hanno attività enzimatica nettamente diversa; 3.  Il gene è presente in una sola forma ma mutazioni dei geni regolatori causano una marcata riduzione dell’espressione genica.

Nel caso 1), la variabilità è determinata da fattori non genetici e la distribuzione della capacità metabolizzante nella popolazione sarà normale (gaussiana). Nei casi 2) e 3) si osserva una distribuzione non normale; sono presenti due (o più) popolazioni . Sono quindi presenti almeno due fenotipi. In questo caso si ha polimorfismo genetico

Reazioni di coniugazione (fase II): glucuronidazione solfatazione acetilazione metilazione coniugazione con glutatione (formazione di acidi mercapturici) coniugazione con aminoacidi (glicina, taurina, acido glutammico)

Le reazioni di coniugazione consistono nella combinazione di sostanze non fisiologiche o xenobiotiche con gruppi polari per formare un coniugato inattivo più facilmente eliminabile dal rene.

Le principali reazioni di questo tipo sono: 1-fenoli, alcooli, acidi carbossilici, amine e tioli con acido glucuronico con formazione di glucuronidi 

2-la coniugazione di fenoli, alcooli, amine con solfati per dare origine a formazione di solfati assai solubili in acqua PAPS: fosfoadenosina-5’-fosfosolfato PAP: fosfoadenosina-5’-fosfato APS:adenosina-5’-fosfosolfato

3) l’acetilazione di amino composti catalizzata dall’acetiltransferasi; 4) la metilazione di alcuni fenoli, catecolamine e di acido nicotinico a spese della metionina; 5) l’attacco di glicina ad acidi aromatici quali l'acido benzoico o l'acido salicilico con formazione di un’amide sostituita

6) l’attacco di glutatione a composti alogenati e a nitrocomposti come il 2-4 dinitro-1-clorobenzene per formare un coniugato attraverso il legame con l’atomo di zolfo del residuo di cisteina

Glutathione è un tripeptide formato da glutamateo, cisteina, e glicina Reazione del glutatione con un elettrofilo

Alcuni parametri utili per testare la funzionalità epatica AST ( o GOT): aspartico amino trasnferasi ALT (o GPT): alanina amino transferasi: AST è libero nella frazione mitocondriale; ALT è libero nel citosol degli epatociti.Solo AST si trova anche nel cuore, Muscolo scheletrico, rene…ALT è abbondante nel fegato (specifico:utile nelle apatopatie) ALP:fosfatasi alcalina Presente in molti organi. I levelli aumentano nelle epatopatie PT: tempo di protrombina Importante per valutare il la funzionalità epatica (produzione Dei fattori II, VII, IX, X da parte del fegato) GGT: gamma-glutamil-transferasi Glicoproteina legata alla mebrana plasmatica. Il suo livello Aumenta negli alcolisti per elevata produzione da parte delfegato

Tessuto adiposo

Il tessuto adiposo: un deposito di materiale energetico In un individuo di 70 kg la quantità di grasso accumulata è di circa 15kg (21% del peso), in gran parte sotto forma di Trigliceridi Distinguiamo: tessuto adiposo bianco tessuto adiposo bruno Differenze T.A. bianco T.A. bruno Funzione riserve energetiche termogenesi Risp. Freddo lieve intensa Distribuzione estesa limitata Vascolarizzazione scarsa estesa Gocce lipidiche uniloculari multiloculari Mitocondri scarsi numerosi Meta. Ac. Grassi rilasci acidi grassi oss. in situ UCP assente presente

Adipociti umani

Composizione biochimica dell’adipocita Oltre ai lipidi, il t.a. contiene 10% di acqua, 2% collagene, o.1% di glicogeno Gli acidi grassi utilizzati per la sintesi dei Trigliceridi provengono dai chilomicroni (intestino) e dalle VLDL (fegato) L’idrolisi dei Tg avviene ad opera di una Lipoproteina Lipasi (fatt. chiarificante) L’attività della lipoproteina lipasi dipende dallo stato nutrizionale e metabolico dell’organismo e, in particolare, dall’azione ormonale di glucagone e insulina Condizioni post-prandiali: attività LPL aumenta (azione dell’insulina) Condizioni di digiuno: attività LPL diminuisce (azione glucagone) Km LPL del tessuto adiposo è 10 volte> Km tessuto cardiaco Punti chiave: La produzione di gliceloro 3-fosfato controlla l’esterificazione La lipolisi è controllata dalla lipasi ormono-sensibile L’aumento del metabolismo del glucosio diminuisce il rilascio di acidi grassi liberi

Metabolismo del tessuto adiposo Glucosio-6-P Tessuto adiposo (non ha la glicerolo chinasi) lipogenesi Acetil-CoA Ciclo pentosi b-ox Glicerolo-3-P Acil.CoA esterificazione Ciclo continuo Idrolisi- esterificazione TG Lipasi ormono-sensibile glicerolo FFA FFA (Pool2) (Pool1) + esterificazione<lipolisi LPL FFA glicerolo glucosio + TG plasma insulina Chilomicroni, VLDL Fegato, reni

Regolazione della lipolisi 5’AMP insulina + - Caffeina teofillina insulina fosfodiesterasi Lipasi ormono-sensibile (inattiva) + Proteina Chinasi cAMP-dip cAMP fosfatasi P Lipasi ormono-sensibile (attiva) Adenilato ciclasi - - + DG TG + FFA ATP insulina DG lipasi MG + FFA Glucagone Adrenalina, ACTH, TSH MG lipasi FFA + glicerolo

Il tessuto adiposo bruno promuove la termogenesi, quando è richiesta pa produzione di calore Molto attivo in alcune specie durante il risveglio dal letargo, animali esposti al freddo, nei neonati Molto probabilmente reposnabile della termogenesi indotta dalla dieta Ridotta negli obesi Disaccoppiamento dell’ossidazione e della fosforilazione ossidativa Importante la proteina UCP (uncoupling protein; termogenina) L’ossidazione produce essenzialmente calore

Cervello I neuroni utilizzano solo glucosio come nutriente Dipende in gran parte dal glucosio che arriva col sangue Metabolismo respiratorio molto attivo Non utilizzano direttamente acidi grassi come nutrienti Utilizza corpi chetonici nel digiuno prolungato Utilizza la maggior parte della sua energia sotto forma di ATP per il trasporto attivo di ioni Na e K al fine di mantenere il potenziale elettrico delle membrane neuronali

Fonti energetiche nel cervello in base allo stato nutrizionale

Soggetto a riposo Soggetto sveglio da 48h Metabolismo del glucosio nel cervello

Sangue Trasporta metaboliti, ossigeno, ormoni Metà del volume è occupato da Eritrociti Leucociti Piastrine La concentrazione del glucosio nel sangue è sottoposta a stretto controllo Sistemi ormonali di controllo

Effetti della bassa concentrazione del sangue

REGOLAZIONE ORMONALE DEL METABOLISMO ENERGETICO

+ + + + + + + + + + K K Ca depolarizzazione Ca Risposta delle cellule b alle modificazioni di concentrazione di glucosio Granuli di insulina Glucosio: ALTA Glucosio: BASSA + K Canali K ATP-dip. G-6-P + K + ATP ADP Ca ATP ADP + polarizzazione + + depolarizzazione + + 70mV + + Canale Ca Ca

GK: sensore del glucosio Meccanismo di secrezione dell’insulina dalle cellule b del pancreas + + K+ Ca depolarizzazione diazossido Somatostatina Ca antagonisti KIR + SUR sulfonilurea + + + Ca K K GK Ins glucosio G-6-P ATP/ADP + NADP NADPH + Glu aKG + NH4 GDH Insulina + leucina GK: sensore del glucosio

IRS: Insulin Receptor Substrate Membrana cellulare Y Y Y P Y P autofosforilazione IRS: Insulin Receptor Substrate Segnali intracellulari -metabolici -DNA (trascrizione. Proliferazione…..)

Effetti cellulari Effetti metabolici PDE3b=fosfodiesterasi 3b PI3K=fosfoinositolo 3 chinasi PP1=proteina fosfatasi GSK3= glicerolo sintasi chinas i

+ + + + + + + + + + + + + + Effetti metabolici dell’insulina glucosio glucosio aa. Glut 2 Glut 4 Glicogeno sint. Glicerolo-3.P Glicogeno sint. + + VLDL glicolisi TG glicolisi + + + + glicogeno Ac.grassi glicogeno Sint.prot. piruvato piruvato + + Acetil CoA lipogenesi Acetil CoA c. krebs c. krebs lipogenesi + + + Sint.prot. TG + Acidi grassi glicerolo Lipopr. lipasi aa. glucosio FEGATO glicerolo Glut 4 MUSCOLO + piruvato TESSUTO ADIPOSO lipogenesi Acidi grassi + Acetil CoA c. krebs Effetti metabolici dell’insulina TG K+ K+

Effetti metabolici del Glucagone - + - + + - + glucosio Sintesi glicogeno - glicogeno glicogenolisi + glicolisi - glicerolo alanina gluconeogenesi + lattato piruvato Ossidaz. + Acetil CoA Acidi grassi c. krebs - lipogenesi chetogenesi + Corpi chetonici

Fosforilasi a Fosforilasi b Glucagone adrenalina cAMP Inibitore-1 Inibitore-1-P Inibizione delle fosfatasi P Fosforilasi Chinasi b Glicogeno Sintetasi b P P P Proteina Chinasi cAMP dip. Proteina fosfatasi Proteina fosfatasi Fosforilasi Chinasi a Glicogeno Sintetasi a P glicogeno Ciclo del glicogeno Fosforilasi a Fosforilasi b UDP-glc P P Proteina fosfatasi Glucosio-1-P Controllo della glicogenolisi e glicogenosintesi

del fruttosio-2,6-difosfato Glucagone recettore Regolazione da parte del fruttosio-2,6-difosfato Proteine G Adenilato c. ATP cAMP Attivazione della proteina chinasi A Fosforilazione del complesso fosfofruttochinasi-2/ Fruttosio-2,6difosfatasi Attivazione della fruttosio-2,6dPasi inattivazione della PFK-2 Diminuzione di F-2,6.dP Attivazione della F-1,6 dPasi Inibizione PFK-1 Diminuzione della glicolisi Aumento della gluconeogenesi

citrato Inibita dalla fosforilazione cAMP dipend. epatocita Corpi chetonici c.K citrato c.chet. citrato Attivata dalla defosfor. insul. dip. Acetil-CoA Acetil-CoA carbossilasi Acetil.CoA Malonil.CoA Acil-CoA palimitato stearato Acil-CoA oleato Acido grasso TG VLDL Lipoproteina lipasi Acidi grassi liberi Lipasi Or. sen Attivata dalla fosforilazione cAMP-dipendente TG adipocita