Universit di Roma TOR VERGATA CL in Medicina

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

ENERGIA per Ø gradiente elettrochimico (Na/K ATPasi) Ø processi biosintetici (es. sintesi proteica) Ø trasporto di molecole transmembrana Ø trasduzione del segnale Ø lavoro meccanico (respirazione, contrazione cardiaca, contrazione muscolare) FONTI DI ENERGIA - carboidrati GLUCOSIO - trigliceridi ACIDI GRASSI - scheletro carbonioso degli amminoacidi RESA ENERGETICA ~ 35 % “SOTTOPRODOTTI” calore, CO 2, H 2 O, NH 3 ( urea)

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

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+ FADH 2 LEGATO COVALENTEMENTE ( enzima di membrana, esempio Complesso II) OSSIDA: IDROCARBURO saturo IDROCARBURO insaturo (+ H 2 O ALCOL)

Ø DIETA Ø BIOSINTESI Ø 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

DIGESTIONE BOCCA saliva: digestione amido ( -amilasi) STOMACO digestione proteine (e trigliceridi) - HCl - zimogeni ed enzimi (pepsinogeno) - fattore intrinseco (assorbimento vit B 12) INTESTINO TENUE digestione proteine, carboidrati, lipidi Ø bile - funzione digestiva, HCO 3 -, sali biliari -funzione escretoria ( sostanze lipofile, quali pigmenti biliari, farmaci) Ø secrezione pancreatica: HCO 3 -, zimogeni ed enzimi COLON fermentazione batterica

ALTERAZIONI secrezione conseguenze ————————————— HCl assorbimento ferro (anemia) fattore intrinseco assorbimento vit B 12 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 O 2 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

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 maltosio G–G maltotrioso G–G–G destrina G–G–G Cellulosa: non sintetizziamo enzimi in gradi di idrolizzare il 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 Glu Gal Na+ Fru S G L T 1 G L U T 5 Trasporto mediato secondo gradiente trasportatori del glucosio GLUT G L U T 2 Na+/K+-ATPasi membrana baso-laterale membrana apicale Trasporto attivo contro gradiente cotrasportatore Na+/glucosio (SGLT 1)

glicemia dopo digiuno notturno ~ 5 m. M (80 mg/d. L) 3, 5 m. M (digiuno prolungato) 7, 2 m. M (ricco pasto glucidico) glicosuria 9 -10 m. M 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

finora identificate 12 isoforme (GLU 1 GLUT 12 da geni diversi) GLUT 1 eritrocita, ubiquitario GLUT 2 intestiono, fegato, isole pancreatiche GLUT 3 cervello GLUT 4 muscolo, tessuto adiposo GLUT 5 intestino (specifico per fruttosio) insulina indipendente regolato dall’insulina Isoforme diverse per specificità di substrato e parametri cinetici GLUT 1 Km 3 m. M GLUT 2 Km 17 m. M - bassa affinità mai saturo, flusso lineare concentrazione di Glu GLUT 3 Km 1, 7 m. M - alta affinità, saturo anche a basse conc Glu GLUT 4 Km 5 m. M GLUT 4 - riserva intracellulare. In seguito allo stimolo dell’insulina, GLUT 4 va incontro a rapida traslocazione sulla membrana, con aumento dell’attività di trasporto

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

B A v v 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 G 6 P (glicogenosintesi, glicolisi, via dei pentosi. P, ac glucuronico) ESOCHINASI alta affinità (Km = 0, 1 m. M) cervello, muscolo, ubiquitaria - funziona in presenza di bassa disponibilità di glucosio - non specifica - inibita dal prodotto G 6 P GLUCOCHINASI epatica bassa affinità (Km = 5 m. M) - funziona in presenza di alta disponibilità di glucosio - specifica per il glucosio - non inibita dal prodotto G 6 P - inducibile (ormoni, dieta) insulina glucosio digiuno diabete (conseguente alta glicemia) G 6 P punto di arrivo di glicogenolisi e gluconeogenesi G 6 P FOSFATASI epatica G 6 P + H 2 O G + Pi CONTROLLO GLICEMIA

GLICOLISI

GLICOLISI unica via in grado di produrre ATP in assenza di O 2 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

LEGAMI AD “ALTA ENERGIA” legami la cui idrolisi è fortemente esoergonica > 25 k. J/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