GENERALITA SUL METABOLISMO. DIGESTIONE e ASSORBIMENTO dei CARBOIDRATI GLICOLISI

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1 GENERALITA SUL METABOLISMO DIGESTIONE e ASSORBIMENTO dei CARBOIDRATI GLICOLISI

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

3 UTILIZZAZIONE D ENERGIA A RIPOSO organo consumo ATP fegato Na + /K + ATPasi sistema nervoso 3% peso corporeo muscolo stomaco e intestino cuore rene polmoni altro sintesi proteine miosina ATPasi calcio ATPasi ciclo dei substrati altro l area indica la % di utilizzo

4 VIA METABOLICA - METABOLITA - ENERGIA METABOLISMO 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

5 DEIDROGENASI FMN D FMNH 2 FAD D FADH 2 è legato all enzima (anche covalentemente) OSSIDA: idrocarburo saturo g idrocarburo insaturo (+ H 2 O g alcol) Cofattore anche di ossidasi FADH 2 + O 2 g FAD + H 2 O 2 NAD + D NADH + H + non è legato all enzima OSSIDA: alcol g aldeide/chetone aldeide g acido NADP + D NADPH + H +

6 I nutrienti necessari per la produzione di energia possono derivare dalla 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 ω6 ed ω3, alcuni amminoacidi, minerali, quasi tutte le vitamine

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

8 DIGESTIONE BOCCA saliva: digestione amido (α-amilasi) STOMACO digestione proteine (e trigliceridi) - HCl - zimogeni ed enzimi (pepsinogeno) - fattore intrinseco (assorbimento vitamina 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

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

10 glucosio vs acido grasso unica fonte energetica utilizzabile in assenza di O 2 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 ( 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

11 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

12 POLISACCARIDI AMIDO 20% amiloso legame α1 4 80% amilopectina legame α1 4 e α1 6 α-amilasi salivare α-amilasi pancreatica Endoglicosidasi: idrolizzano il legame α1 4 maltosio G G maltotrioso G G G G G α destrina G G G Cellulosa: l uomo non sintetizza enzimi in gradi di idrolizzare il legame Glc (β1 4) Glc

13 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 maltasi saccarasi isomaltasi α -glicosidasi scinde legame Glc (α1 4) Glc scinde legame Glc (α1 2) Fru scinde legame Glc (α1 6) Glc lattasi β-galattosidasi scinde legame Gal (β1 4) Glc

14 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 anni fa con la pastorizia; per favorire assorbimento di calcio nei popoli nordici) ampia variabilità Danesi 97% Indiani 45% Neri americani 20% Filippini 5% diarrea lattosio: fermentato dalla flora intestinale richiamo di liquidi per effetto osmotico distensione parete intestinale ed aumento della peristalsi malassorbimento di altri nutrienti

15 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 membrana apicale Glc Gal Na + Fru S G L T G L U T 5 enterocita G L U T 2 membrana baso-laterale Na + /K + -ATPasi

16 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

17 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

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

19 finora identificate >12 isoforme (da geni diversi) GLUT1 eritrocita, ubiquitario insulina indipendente GLUT2 intestino, fegato, cellule β 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

20 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

21 Trasporto descritto da una funzione Michaelis - Menten G ex + T D GT " G int + T con una cinetica di saturazione G ex V = V max Km + G ex V max = k cat T specifico e dipende da - Quantità di trasportatore - Affinità del trasportatore per il glucosio - Capacità di turnover del trasportatore

22 A B velocità velocità concentrazione 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)

23 qualunque sia il destino metabolico G + Mg-ATP g 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) h insulina h glucosio i digiuno i diabete (conseguente alta glicemia) G6P punto di arrivo di glicogenolisi e gluconeogenesi G6P FOSFATASI epatica G6P + H 2 O g G + Pi CONTROLLO GLICEMIA

24 GLICOLISI

25 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

26 Matthews -van Holde

27 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

28 LEGAMI AD ALTA ENERGIA legami la cui idrolisi è fortemente esoergonica > 25 kj/mol Fosfo anidride Fosfo guanidina Acil fosfato Enol fosfato O NH 2 + O = P NH C N CH 2 COO O CH 3 CREATINA arginina glicina metionina Intermedi della glicolisi sono 2 composti fosforilati con ΔG o di idrolisi più esoergonico del legame fosfoanidridico presente nell ATP ( -31 KJ/mol) fosfo enolpiruvato (ΔG o di idrolisi = - 62 KJ/mol) 1-3 bis fosfoglicerato (ΔG o di idrolisi = - 49 KJ/mol)

29 ΔG o di idrolisi (KJ/mol) - 62 enol-fosfato - 49 acil-fosfato -31 fosfo-anidride - 14 estere - 10 estere

30 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

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