GENERALITA’ SUL METABOLISMO DIGESTIONE ED ASSORBIMENTO DEI CARBOIDRATI Università di Roma TOR VERGATA CL in Medicina Biochimica (Prof L. Avigliano) GENERALITA’ SUL METABOLISMO DIGESTIONE ED ASSORBIMENTO DEI CARBOIDRATI GLICOLISI

- carboidrati  GLUCOSIO - trigliceridi  ACIDI GRASSI ENERGIA per gradiente elettrochimico (Na/K ATPasi) processi biosintetici (es. sintesi proteica) trasporto di molecole transmembrana trasduzione del segnale lavoro meccanico (respirazione, contrazione cardiaca, contrazione muscolare) FONTI DI ENERGIA - carboidrati  GLUCOSIO - trigliceridi  ACIDI GRASSI - scheletro carbonioso degli amminoacidi RESA ENERGETICA ~ 35 % “SOTTOPRODOTTI” calore, CO2, H2O, NH3 ( urea)

UTILIZZAZIONE D’ENERGIA A RIPOSO organo fegato sistema nervoso 3% peso corporeo muscolo stomaco e intestino cuore rene polmoni altro Na/K ATPasi sintesi proteine miosina ATPasi calcio ATPasi ciclo dei substrati alltro consumo ATP

Meccanismi di controllo regolano il flusso metabolico METABOLISMO VIA METABOLICA - METABOLITA - ENERGIA CATABOLISMO - REAZIONI ESOERGONICHE DEGRADAZIONE DEIDROGENAZIONE (NAD+, NADP+, FAD) PRODUZIONE DI ATP ANABOLISMO - REAZIONI ENDOERGONICHE SINTESI IDROGENAZIONE (NADPH + H+) CONSUMO DI ATP Metaboliti in comune Meccanismi di controllo regolano il flusso metabolico Diversa localizzazione cellulare e d’organo

DEIDROGENASI NAD+  NADH + H+ NON LEGATO COVALENTEMENTE OSSIDA: ALCOL  ALDEIDE/CHETONE  ACIDO NADP+  NADPH + H+ FAD  FADH2 LEGATO COVALENTEMENTE ( enzima di membrana, esempio Complesso II) OSSIDA: IDROCARBURO saturo  IDROCARBURO insaturo (+ H2O  ALCOL)

Componenti della DIETA BIOSINTESI RISERVE Componenti della DIETA NUTRIENTI: glucidi, lipidi, proteine, vitamine, minerali NUTRIENTI ESSENZIALI L’organismo è incapace di sintetizzarli e devono essere assunti con la dieta acidi grassi 6 ed 3, alcuni amminoacidi, minerali, quasi tutte le vitamine

Il nutriente per essere utilizzato deve prima subire i processi di - Digestione Polimero  monomero - per scissione idrolitica Assorbimento lume intestinale  enterocita  circolo (plasma, linfa) MALASSORBIMENTO Difetti digestione /assorbimento

BOCCA saliva: digestione amido (-amilasi) STOMACO digestione proteine (e trigliceridi) HCl zimogeni ed enzimi (pepsinogeno) fattore intrinseco (assorbimento vit B12) INTESTINO TENUE digestione proteine, carboidrati, lipidi bile - funzione digestiva, HCO3-, sali biliari funzione escretoria ( sostanze lipofile, quali pigmenti biliari, farmaci) secrezione pancreatica: HCO3-, zimogeni ed enzimi RUOLO DELL’ACIDO CLORIDRICO - denaturazione delle proteine alimentari; - attivazione del pepsinogeno, - per mantenere il ferro nella forma ferrosa biodisponibile; - potere antimicrobico verso i microrganismi penetrati via cavo orale. COLON fermentazione batterica

ALTERAZIONI secrezione conseguenze ————————————————————————— HCl  assorbimento ferro (anemia) fattore intrinseco  assorbimento vit B12 sali biliari  assorbimento lipidi e vit liposolubili enzimi pancreatici  digestione di tutti gli alimenti

glucosio vs acido grasso unica fonte energetica utilizzabile in assenza di O2 fonte obbligata per eritrocita fonte di energia per il sistema nervoso strettamente aerobica fonte energetica di riserva scarsa rispetto ai trigliceridi ma prontamente utilizzabile glicogeno epatico (50-100 g sufficienti per 8-12 h, a riposo) glicogeno muscolare (400 g totali) facilita il metabolismo lipidico con scarso glucosio (es digiuno) si formano i corpi chetonici risparmia le proteine in assenza di glucosio si ha biosintesi di glucosio - gluconeogenesi -da glicerolo ed amminoacidi Il cervello non ha riserve di glicogeno né ha gluconeogenesi

FONTI DI GLUCOSIO DIETA AMIDO, saccarosio, lattosio RISERVE Glicogeno epatico BIOSINTESI Gluconeogenesi epatica

POLISACCARIDI AMIDO ALIMENTARE 20% amiloso legame 1-4 80% amilopectina legame 1-4 ed 1-6 -amilasi salivare -amilasi pancreatica endoglicosidasi idrolizza legame 1-4  destrina G–G G–G–G maltosio G–G maltotrioso G–G–G Cellulosa: non sintetizziamo enzimi in gradi di idrolizzare il legame Glu 1-4 Glu

maltasi scinde legame Glu 1-4 Glu DISACCARIDI: idrolizzati da enzimi sintetizzati dall’enterocita e siti sulla membrana plasmatica  -glicosidasi maltasi scinde legame Glu 1-4 Glu saccarasi scinde legame Glu 1-2 Fru isomaltasi scinde legame Glu 1-6 Glu -galattosidasi lattasi scinde legame Gal 1-4 Glu IPOLACTASIA: Polimorfismo genetico porta a Fenotipo “non persistente”: adulto cala al 10%, stato ancestrale normale nei mammiferi Fenotipo “persistente”: stessi livelli nell’adulto -popolazione nord Europa e area mediterranea - (mutazione 6.000-9.000 anni fa con la pastorizia; per favorire assorbimento di calcio nei popoli nordici)

ASSORBIMENTO dei MONOSACCARIDI Trasporto attivo contro gradiente cotrasportatore Na+/glucosio (SGLT1) Trasporto mediato secondo gradiente trasportatori del glucosio GLUT GLUT2 GLUT5 SGL T1 Na+/K+-ATPasi Glu Gal Na+ membrana apicale membrana baso-laterale Fru

glicemia dopo digiuno notturno ~ 5 mM (80 mg/dL) 3,5 mM (digiuno prolungato) 7,2 mM (ricco pasto glucidico) glicosuria 9-10 mM Metabolismo glucidico regolato da ormoni insulina: ipoglicemizzante glucagone, cortisolo, adrenalina: iperglicemizzanti

danno da eccesso di glucosio il gruppo aldeidico è un gruppo reattivo che porta a - glicazione non enzimatica di proteine il gruppo aldeidico reagisce con il gruppo amminico di proteine il livello di Hb glicosilata è un indice del controllo glicemico - autoossidazione e formazione di ROS (specie reattive dell’ossigeno)

GLUT proteine di trasporto di glucosio attraverso la membrana Trasporto bidirezionale, indipendente da ATP

GLUT 4 - riserva intracellulare. finora identificate 12 isoforme (GLU1  GLUT12 da geni diversi) GLUT1 eritrocita, ubiquitario insulina indipendente GLUT2 intestiono, fegato, isole pancreatiche insulina indipendente GLUT3 cervello insulina indipendente GLUT4 muscolo, tessuto adiposo regolato dall’insulina GLUT5 intestino (specifico per fruttosio) Isoforme diverse per specificità di substrato e parametri cinetici GLUT1 Km 3 mM GLUT2 Km 17 mM - bassa affinità mai saturo, flusso lineare con concentrazione di Glu GLUT3 Km 1,7 mM - alta affinità, saturo anche a basse conc Glu GLUT4 Km 5 mM GLUT 4 - riserva intracellulare. In seguito allo stimolo dell’insulina, GLUT4 va incontro a rapida traslocazione sulla membrana, con aumento dell’attività di trasporto

Trasporto descritto da una funzione Michaelis - Menten Gex + T  GT  Gint + T con una cinetica di saturazione V = Vmax –––––––– Vmax = kcat T Gex Km + Gex specifico e dipende da Livello del trasportatore Affinità del trasportatore per il glucosio Capacità di turnover del trasportatore

A B B: Parte iniziale ingrandita delle curve A Cex Cex B: Parte iniziale ingrandita delle curve A nella curva con alta Km (in rosso ) la parte iniziale appare rettilinea Risultato: trasporto mediato ma velocità indipendente dal trasportatore e dipendente dal gradiente di concentrazione (come nel trasporto passivo)

qualunque sia il destino metabolico G + Mg-ATP  G6P (glicogenosintesi, glicolisi, via dei pentosiP, ac glucuronico) ESOCHINASI alta affinità (Km = 0,1 mM) cervello, muscolo, ubiquitaria - funziona in presenza di bassa disponibilità di glucosio - non specifica - inibita dal prodotto G6P GLUCOCHINASI epatica bassa affinità (Km = 5 mM) - funziona in presenza di alta disponibilità di glucosio - specifica per il glucosio - non inibita dal prodotto G6P - inducibile (ormoni, dieta)  insulina  glucosio  digiuno  diabete (conseguente alta glicemia) G6P punto di arrivo di glicogenolisi e gluconeogenesi G6P FOSFATASI epatica G6P + H2O  G + Pi CONTROLLO GLICEMIA

GLICOLISI

unica via in grado di produrre ATP in assenza di O2 tramite GLICOLISI unica via in grado di produrre ATP in assenza di O2 tramite FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO Resa energetica della glicolisi anaerobica: 5% rispetto alla fosforilazione ossidativa ma più rapida

Matthews -van Holde

ESISTONO DUE MECCANISMI PER LA SINTESI DELL’ATP MITOCONDRIALE fosforilazione ossidativa: richiede gradiente di membrana CITOPLASMATICA fosforilazione a livello del substrato: avviene in soluzione, pertanto il legame ad alta energia deve essere trasferito direttamente da un composto ad un altro

fosfo enolpiruvato (Go’ di idrolisi = - 62 KJ/mol) LEGAMI AD “ALTA ENERGIA” legami la cui idrolisi è fortemente esoergonica > 25 kJ/mol Fosfo anidride Fosfo guanidina Acil fosfato Enol fosfato Intermedi della glicolisi sono 2 composti fosforilati con Go’ di idrolisi più esoergonico del legame fosfoanidridico presente nell’ ATP ( -31 KJ/mol) fosfo enolpiruvato (Go’ di idrolisi = - 62 KJ/mol) 1-3 bis fosfoglicerato (Go’ di idrolisi = - 49 KJ/mol)

Go’ di idrolisi (KJ/mol) 62 enol-fosfato 49 acil-fosfato -31 fosfo-anidride 14 estere 10 estere

N.B. le tappe della glicolisi sono reversibili tranne la 1, 3 e 10 Le tappe reversibili sono pertanto utilizzate anche per il processo di gluconeogenesi