GENERALITA’ SUL METABOLISMO DIGESTIONE e ASSORBIMENTO dei CARBOIDRATI GLICOLISI

- carboidrati  GLUCOSIO - trigliceridi  ACIDI GRASSI ENERGIA per gradiente elettrochimico (Na+/K+ ATPasi) processi biosintetici (es. sintesi proteica) trasporto transmembrana di molecole 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 Na+/K+ ATPasi sintesi proteine miosina ATPasi calcio ATPasi ciclo dei substrati altro consumo ATP fegato sistema nervoso 3% peso corporeo muscolo stomaco e intestino cuore rene polmoni altro l’area indica la % di utilizzo

Catabolismo ed anabolismo hanno metaboliti comuni METABOLISMO VIA METABOLICA - METABOLITA - ENERGIA CATABOLISMO - REAZIONI ESOERGONICHE DEGRADAZIONE DEIDROGENAZIONE (tramite NAD+, NADP+, FAD) PRODUZIONE DI ATP ANABOLISMO - REAZIONI ENDOERGONICHE SINTESI IDROGENAZIONE (tramite NADPH) CONSUMO DI ATP Catabolismo ed anabolismo hanno metaboliti comuni Meccanismi di controllo regolano il flusso metabolico Diversa localizzazione cellulare e d’organo

DEIDROGENASI FMN  FMNH2 FAD  FADH2 è legato all’enzima (anche covalentemente) OSSIDA: idrocarburo saturo  idrocarburo insaturo (+ H2O  alcol) Cofattore anche di ossidasi FADH2 + O2  FAD + H2O2 NAD+  NADH + H+ non è legato all’enzima OSSIDA: alcol  aldeide/chetone aldeide  acido NADP+  NADPH + H+

Componenti della DIETA I nutrienti necessari per la produzione di energia possono derivare dalla 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 vitamina 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 - 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 che manca di mitocondri 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 Cervello non ha riserve di glicogeno né ha gluconeogensi

FONTI DI GLUCOSIO DIETA AMIDO (cereali, legumi, patate, …) saccarosio (frutta) lattosio (circa 50 g/litro latte vaccino) RISERVE Glicogeno epatico BIOSINTESI Gluconeogenesi epatica a partire da precursori non glucidici Queste fonti permettono una costante disponibilità di glucosio nel sangue, che è mantenuta entro una concentrazione (4,5-5 mM) strettamente regolata

POLISACCARIDI 20% amiloso 80% amilopectina AMIDO legame 14 legame 14 e 16 20% amiloso legame 14 AMIDO -amilasi salivare -amilasi pancreatica Endoglicosidasi: idrolizzano il legame 14 maltosio G–G maltotrioso G–G–G G–G G–G–G  destrina Cellulosa: l’uomo non sintetizza enzimi in gradi di idrolizzare il legame Glc (14) Glc

DISACCARIDI (OLIGOSACCARIDI prodotti dalla digestione dell’amido) idrolizzati da enzimi sintetizzati dall’enterocita e siti sulla membrana plasmatica dell’enterocita, con il sito attivo esposto all’esterno verso il lume intestinale -glicosidasi maltasi scinde legame Glc (14) Glc saccarasi scinde legame Glc (12) Fru isomaltasi scinde legame Glc (16) Glc -galattosidasi lattasi scinde legame Gal (14) Glc

per intolleranza alimentare si intende una carenza enzimatica Polimorfismo genetico porta a Fenotipo “non persistente”: nell’ adulto diminisce all’1-5%. Stato ancestrale, è la norma nei mammiferi e nell’uomo (per cui improprio parlare di carenza) Fenotipo “persistente”: alti livelli nell’adulto popolazioni nord Europa e area mediterranea - (mutazione 6.000-9.000 anni fa con la pastorizia; per favorire assorbimento di calcio nei popoli nordici) ampia variabilità Danesi 97% Indiani 45% Neri americani 20% Filippini 5% distensione parete intestinale ed aumento della peristalsi lattosio: fermentato dalla flora intestinale malassorbimento di altri nutrienti richiamo di liquidi per effetto osmotico diarrea

Glc Gal Na+ Fru ASSORBIMENTO dei MONOSACCARIDI TRASPORTO ATTIVO contro gradiente cotrasportatore Na+/glucosio SGLT intestino, rene per il riassorbimento renale TRASPORTO MEDIATO secondo gradiente trasportatori del glucosio GLUT tutti i tessuti GLUT2 GLUT5 SGL T Na+/K+-ATPasi membrana baso-laterale membrana apicale Glc Gal Na+ Fru enterocita

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 e conseguente alterata funzionalità il gruppo aldeidico reagisce con il gruppo amminico di proteine il livello di Hb glicosilata è un indice del controllo glicemico auto ossidazione e formazione di ROS (specie reattive dell’ossigeno) N.B. Glicazione ≠ glicosilazione Glicosilazione: processo biologico sotto il controllo di specifici enzimi (nel R.E.) Glicazione: reazione chimica non controllata e dannosa

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

Isoforme diverse per specificità di substrato e parametri cinetici finora identificate >12 isoforme (da geni diversi) GLUT1 eritrocita, ubiquitario insulina indipendente GLUT2 intestino, fegato, cellule  pancreas insulina indipendente GLUT3 cervello, placenta insulina indipendente GLUT4 muscolo, tessuto adiposo regolato dall’insulina GLUT5 specifico per il fruttosio SCOPO : REGOLARE LA CAPTAZIONE DI GLUCOSIO DA PARTE DEI DIVERSI TESSUTI IN FUNZIONE DE LIVELLI EMATICI 1° livello di regolazione tramite le isoforme Isoforme diverse per specificità di substrato e parametri cinetici GLUT1 Km 3 mM trasporto basale di Glc nella maggior parte dei tessuti GLUT2 Km 17 mM bassa affinità mai saturo, flusso lineare con concentrazione di Glc nel pancreas: sensore livelli di glucosio ematico e secrezione insulina GLUT3 Km 1,7 mM alta affinità, saturo anche a basse concentraz Glc GLUT4 Km 5 mM

Muscolo GLUT 4 - riserva intracellulare. 2° meccanismo di regolazione Nel muscolo e nel tessuto adiposo: rimuove l’ecceso di glucosio dopo pasto abbondante Muscolo GLUT 4 immagazzinato dentro vescicole intracellulari In seguito allo stimolo dell’insulina e/o dell’esercizio fisico, GLUT4 va incontro a rapida traslocazione sulla membrana, con aumento dei trasportatori sulla superficie ed aumento dell’attività di trasporto. L’insulina stimola anche la sintesi ex novo alterata risposta all’insulina: ridotta assunzione del glucosio da parte dei tessuti periferici ed iperglicemia

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 - Quantità di trasportatore - Affinità del trasportatore per il glucosio - Capacità di turnover del trasportatore

A B B: Parte iniziale ingrandita delle curve A velocità concentrazione velocità concentrazione 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 CITOLASMATICA 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 O = P  NH – C – N – CH2 – COO– O– NH2+ O– CH3 CREATINA arginina glicina metionina 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 come indicato dalla freccia unidirezionale dello schema Le tappe reversibili sono pertanto utilizzate anche per il processo di gluconeogenesi