La conoscenza della strategia t del metabolismo è funzionale alla comprensione e interpretazione. Gli analiti che noi possiamo determinare nel

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2 Obiettivo didattico La conoscenza della strategia t del metabolismo è funzionale alla comprensione e interpretazione del significato delle analisi chimico cliniche. Gli analiti che noi possiamo determinare nel comparto ematico sono il risultato della dinamica del metabolismo. Questa lezione cercherà di fare il punto sulle fasi digiuno/alimentazione, correlazione tra i metaboliti e regolatori del metabolismo (ormoni). Per rendere più efficace l utilizzo dei parametri di laboratorio e la loro interpretazione.

3 Tutto quello che determiniamo nel lab. di analisi chimico cliniche si esegue su camioni ematici o di urine. Il sangue è il tessuto liquido che collega e razionalizza le funzioni degli organismi complessi. Il metabolismo avviene nelle singole cellule, ma i nutrienti sono trasportati dal sangue, dall enterocita al fegato, dal fegato a tutti gli altri distretti e dai singoli organi al fegato o ai reni, etc. Chi e come viene eseuita la regia di questo complesso lavoro?

4 I processi metabolici principali e indicativi del metabolismo in un organismo complesso sono: Glicogenosintesi, glicogenolisi, gluconeogenesi, glicolisi, sintesi degli ac. grassi, β-ossidazione, ciclo dell ac. citrico, chetogenesi, oss. degli aa., sintesi proteica, proteolisi, sintesi dell urea. E importante conoscere: come sono coordinati e controllati nei diversi stati metabolici i differenti tessuti che partecipano al metabolismo Il ciclo Digiuno-Alimentazione i i consente un consumo di alimenti variabile in rapporto all entità della richiesta metabolica. Il termine alimentazione indica l assunzione di cibo (intake di alimenti variabile), cui fa seguito l accumulo di riserve alimentari (glicogeno e lipidi) che saranno utilizzate nella fase di digiuno. E evidente che alla base di questo ciclo ci sia una conversione in una componente universale che collega e raccorda le varie fasi. Un ciclo parallelo ATP ADP accompagna il ciclo Digiuno/Alimentazione.

5 Tessuti diversi hanno comportamenti metabolici differenti. Il tessuto nervoso p.e., è carente di tutti gli enzimi della β- ossidazione e richiede un apporto costante di glucosio, circa 80mg/min, per un totale di 120 g al giorno (35-50% del consumo totale di glucosio). I globuli rossi, privi di mitocondri dipendono esclusivamente dalla glicolisi per la produzione di ATP e richiedono 25mg/min m di glucosio, circa 37 g al giorno (12-15% del consumo totale). Sono dipendenti energeticamente dal glucosio anche la midollare di rene e surrene. Il miocardio, invece, per il suo fabbisogno energetico ricorre agli acidi grassi (90% del fabbisogno), pur possedendo un normale apparato glicolitico, miocardio e tessuto nervoso utilizzano anche i corpi chetonici per scopo energetico, in carenza di glucosio.

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7 La regolazione dell omeostasi metabolica richiede un efficace sistema di comunicazione per adeguare il comportamento metabolico alle differenti situazioni, come l utilizzo dei nutrienti in funzione dell assunzione di cibo. I principali segnali circolanti sono gli ormoni specialmente: linsulina, l insulina il glucagone, le catecolammine, i glucocorticoidi e gli ormoni tiroidei.

8 Un alto rapporto insulina/glucagone promuove lo storage di carboidrati e lipidi. Il controllo ormonale si esprime con la fosfo/defosforilazione reversibile e l espressione/degradazione di enzimi chiave (l insulina induce la protein fosfatasi, il glucagone via camp la protein chinasi). Poi c è il controllo diretto come l allosteria mediato da substrati e prodotti. Valori glicemici: Dopo il pasto: 8,3mmoli/L Glicemia dopo digiuno notturno, range di normalità: 4,4-6,7 mmoli/l ( mg/dl) Digiuno prolungato:3,3mmoli/l. Buona alimentazione:immagazinamento di glucidi e lipidi,gli aa.vengono utilizzati per la sintesi prot. Se i meccanismi di controllo sono alterati, un normale pasto può determinare una glicemia superiore alla soglia renale (circa 10mM) con perdita renale di glucosio. Lipidi

9 Assorbimento dei lipidi I lipidi sono insolubili in acqua e, per il loro assorbimento e digestione, sono messi in atto meccanismi peculiari che consentono di ottimizzare l interazione tra enzimi digestivi e molecole l lipidiche. idi L emulsionamento, ovvero la dispersione in finissime goccioline, è fondamentale ai fini della digestione ed è ottenuta e stabilizzata grazie anche alla bile, secreta nel lume intestinale dalla cistifellea. Sulla superficie di queste fini micelle operano gli enzimi digestivi: la lipasi pancreatica, la fosfolipasi f i A2, la colesterolo l esterasi. I lipidi idi complessi sono semplificati dall idrolisi li i dei legami esterei in essi contenuti. Ciò facilita l assorbimento negli enterociti, dove avviene la riesterificazione a trigliceridi, fosfolipidi ed esteri del colesterolo a spese di ATP. Questi lipidi complessi vengono veicolati nel sangue, attraverso la linfa, sotto forma di strutture micellari (lipoproteine) denominate chilomicroni e VLDL.

10 -Dopo 30 min dal pasto l Insulina aumenta di 8-10 volte (600pm/L) dopo 1 h comincia a diminuire, dopo 5- h ritorna a valori basali (50-60pm/L). Il glucagone diminuisce e dopo 3-4h dal pasto ricomincia ad aumentare fino ad un massimo (dopo digiuno notturno 25pM). -La glicemia cresce del 60-70% rispetto al basale (4-5mM) con un picco tra 30 e 60 min dal pasto, per poi tornare ai valori basali entro 2h. -L acido lattico cresce di 2,5 volte con un picco di 1,2mM dopo1h, con ritorno al basale a 4-5h. -Gli ac grassi liberi si abbassano dopo 1h drasticamente (0,5mM a 0.05 per tornare ai valori di base dopo 6h). -I trigliceridi (chilomicroni) dopo 1h dal pasto compaiono nel sangue con un picco a 4h (0,25mM) per poi scomparire dopo 6h circa. -I ITGt totali t lihanno un andamento simile il da 0,6-0,7 a 1,4-1,5mM dopo 4-5h e ritorno al basale dopo 7-8h

11 Questo assetto è sotto la regia di insulina e glucagone. g Nel fegato la glicolisi decorre al massimo regime gli E: : F-6P 6P-chinasi e la Piruvato- chinasi, defosforilati per effetto dell insulina insulina, lavorano alla max efficienza, anche la piruvico deidrogenasi,defosforilatadefosforilata e attiva, produce Acetil-CoA che stimola la piruvato carbossilasi con produzione di ossalacetato. AcetilCoA e Ossalacetato sono i substrati che riforniscono il ciclo di Krebs (tutti e due da glucosio) Quando il citrato prodotto satura il ciclo (regolato dalla catena respiratoria e da ATP), viene trasferito dal mitocondrio al citosol, dove la citrato liasi lo scinde in ossalacetato e acetilcoa, quest ultimo va a produrre acidi grassi, isoprenoidi ecolesterolo colesterolo. OSSALACETATO

12 L insulina è determinante per dare l indirizzo, i infatti attiva l AcetilCoAcarbossilasi, con produzione di malonilcoa e gli enzimi della biosintesi i i degli ac grassi e gli intermedi per la biosintesi del colesterolo, queste vie usano NADPH, dipendono quindi dal ciclo dei pentosi, la presenza del malonilcoa nel citosol mantiene inibita la carnitina acil transferasi CPT1, e quindi gli ac grassi non si itrasferiscono al mitocondrio, quindi la β-ossidazione non avviene e l unica fonte di AcetilCoA A resta il glucosio. Così gli ac grassi formati e il glicerol-p (dal didrossiaceton-p) i vanno a formare trigliceridi X B-ossidazione

13 Gli ac grassi esogeni (dalla degradazione intravasale dei chilomicroni e da quella epatica dei chilomicroni secondari), vanno a formare trigliceridi. Trigliceridi e colesterolo sono assemblati nelle VLDL ed esportati nel sangue. L insulina agisce anche sulla biosintesi del glicogeno epatico. La glicogeno sintetasi defosforilata e attiva attinge all abbondante G-6-P, il citrato che aumenta, inoltre inibisce la F-6-P chinasi, con conseguente riduzione della glicolisi, in queste condizioni X che si determinano a 2h dal pasto si attiva la gluconeogenesi g (3-4h dal pasto). Negli organi extraepatic, t. adiposo e muscolare l insulina promuove la traslocazione di Glut4 sulla membrana, Glut4 ha Km bassa (5mM) alle concentrazioni di glucosio plasmatico delle prime 2h dopo il pasto (7-8mM) trasporta a Vmax. L aumento di Glut4 e gli alti livelli di glucosio ematico determinano un flusso di glucosio molto elevato che viene in parte avviato alla glicolisi anaerobia con produzione di ac lattico (nelle 2 ore dopo il pasto). Il fegato rimuove l ac lattico dal sangue e lo utilizza dopo ossidazione a piruvato per la gluconeogenesi epatica che si attiva dopo la 2^ ora. Muscolo e t adiposo condividono il comportamento metabolico, utilizzano il glucosio a scopo energetico e indirizzano l extra lextra verso i depositi. Nel m il glicogeno (massimo accumulo dopo 4-5h dal pasto) e nel ta i trigliceridi, dove l insulina blocca subito la lipasi con blocco del rilascio di ac grassi

14 Ultimi arrivano gli aa, la digestione delle proteine è lenta, attraversano gli enterociti e passano nel sangue portale fino al fegato. La composizione in aa del sangue portale è diversa da quella delle proteine alimentari, % l alanina, mentre la glutammina passando per l enterocita. Gli aa arrivati al fegato vengono: metabolizzati,transaminati e trattenuti (per la biosintesi), quelli eccedenti vengono riversati nel torrente ematico e distribuiti in periferia. In particolare vengono rilasciati tutti gli aa a catena ramificata (25% delle proteine alimentari), che il fegato non utilizza e che vengono assorbite dal muscolo che le usa per la biosintesi delle proprie proteine che ne sono ricche, o li degrada a scopi energetici. Ad opera delle transaminasi il muscolo produce e rilascia nel sangue alanina e glutammina che vanno o al fegato o a rene ed intestino. Nel rene la glutammina viene degradata ad NH 4+ e a-chetoglutarato, convertita in serina e riimessa nel sangue, o usata per la biosintesi. L intestino converte la glutammina in alanina e la rilascia nel sangue dove viene captata dal fegato. Valina succinilcoa Leucina AcetilCoA+ Acetacetici Isoleucina AcetilCoA+SuccinilCoA glu ala ala

15 L utilizzo costante di glucosio da parte del cervello richiede che la glicemia non scenda mai al di sotto di 40-45mg/dl (2,5mM), pena l instaurarsi di una situazione di coma ipoglic. E stimato che durante il digiuno notturno il fegato immette nel torrente circolatorio 130mg/min di glucosio, che deriva in maggior parte dalla degradazione del glicogeno, g e in parte minore dalla gluconeogenesi. g La riduzione della glicemia (4-5mM) provoca una riduzione della insulinemia (50-60pM) e un aumento dei livelli di glucagone (20-25pM). Il glucagone a livello epatico agisce via camp attivando la cascata delle chinasi, la glicogeno fosforilasi fosforilata si attiva e scinde il glicogeno,il G-6-P, prodotto, nel fegato viene rilasciato in circolo dopo rimozione del P. Dopo digiuno notturno il metabolismo basale e soddisfatto da: 8-10% aa 35-40% glucosio 48-55% ac grassi Molti tessuti cominciano ad utilizzare substrati alternativi. Il basso rapporto Insulina/gluc rimuove l inibizione della lipolisi del ta, stimolata dal rilascio di adrenalina. La bassa insulina e l aumento di adrenalina induce un aumento di ac grassi liberi nel sangue (0,5-0,6mM), utilizzati dal muscolo e altri organi non glucosio dipendenti. Si attiva la malonilcoa decarbossilasi (si inattiva l AcetilCoA carbossilasi con riduzione del malonilcoa), quindi la carnitina Acil transferasi si attiva, ciò permette l utilizzo mitocondriale degli ac grassi, con liberazione di AcetilCoA, ATP, NADH che inibiscono l utilizzo del glucosio mediante inibizione della piruvato deidrogenasi e della P-fruttoKinasi, con risparmio del glucosio da parte del muscolo. Le riserve muscolari di glicogeno sono limitate (24h circa di digiuno) e vengono aiutate dalla gluconeogenesi. n Il cervello ha ridotto a metà la richiesta di glucosio.

16 Un basso rapporto insulina/glucagone, tipico del digiuno, stimola lipolisi nel tessuto adiposo, e gluconeogenesi epatica per aggiustare i livelli glicemici. Per digiuno prolungato s intende la max durata di astensione da cibo che un organismo normale possa sopportare. Deve essere garantito un normale esercizio delle funzioni fondamentali: conduzione nervosa, trasporto di O2, escrezione renale, secrezione endocrina, attività muscolari (in particolare respirazione e attività cardiaca) deve quindi essere garantito: glucosio o altro combustibile al t.n.,,glucosio agli eritrociti e al surrene, ac grassi al t.m.

17 Allo scopo di differenziarlo definiamo che il digiuno prolungato parte dopo circa 12h dall ultimo pasto. In genere si può affermare che le riserve possono essere così utilizzate: Glicogeno e trigliceridi completamente, le proteine solo al 50%, è richiesto un limite alla proteolisi muscolare e plasmatica per garantire respirazione e difese immunitarie. Teoricamente per un adulto sano di 65Kg sono disponibili Kcal, sufficienti per 72g, ma durante il digiuno si riducono il metabolismo basale e l attività fisica, si possono così aggiungere altri 10-15g.

18 La gluconeogenesi diventa l unica fonte di G (dopo24h), la glicolisi diviene esclusivamente anaerobica (ciclo di Cori), il ciclo di Krebs funziona solo con Ac grassi, funziona il ciclo ala-g. Ma il riciclo del G non basta a riintegrare il consumo netto di G (tn e eritrociti), G denovo si forma da aa e glicerolo (18g/g per glicerolo), gli aa da proteine endogene danno il contributo più alto, prima epatiche, poi muscolari. Per 120g di G sono utilizzate circa 200g di proteine. Nel 2 g si va ad un regime ridotto, si riduce la digestione proteica e la gluconeogenesi,aumenta l utilizzo degli ac grassi, che sono molti e vengono ossidati parzialmente, quindi aumenta la sintesi di corpi chetonici, immessi in circolo e usati a scopo energetico.

19 L aumento dei corpi chetonici ematico induce acidosi metabolica, che porta alla eliminazione dei corpi chetonici con le urine, il rene quindi aumenta la produzione di NH 4+ e bicarbonato, l NH 4+ è dato dalla glutammina (proteolisi muscolare) il cui scheletro C.oso è usato dal rene per la gluconeogenesi. Quindi solo il cervello brucia completamente il G, il fegato ossida parzialmente gli ac grassi, e gli altri tessuti ac grassi e corpi chetonici. Il rapporto insulina/glucagone l è al minimo, il sistema adrenergico è parzialmente attivato, la triiodotironina (T3) è diminuita e il cortisolo è aumentato. Gli E sono fosforilati, così procedono la glicogenolisi, l fino a demolizione completa del glicogeno (entro 48h), e la lipolisi (0,55-0,6mM ac grassi nel sangue) L associazione glucagone-cortisolocortisolo stimola l espressione genica di E tissutali: Nel M aumentano le catepsine, nel fegato le transaminasi, la G-6-Pfosfatasi,la F-1,6Bfosfatasi,la Pir-carbossilasi e la P-enol-Pir- Pir Carbossichinasi, per promuovere la gluconeogenesi

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25 SEGNALI ANORESSIGENI Leptina Insulina Peptide YY (PYY) CCK (Colecistochinina) CART (cocaine -anphetamine-regulatedtranscript) Pro-opiomelacortina (POMC) a-msh (Melanocyte Stimulating Hormone) Corticotropin t i Releasing Hormone (CRH) Urocortina

26 Leptina E considerata una citochina Espressa a livello del tessuto adiposo e di altri tessuti I livelli lli circolanti di leptina sono associati all entità della massa adiposa, aumentano dopo il pasto e si riducono nel digiuno prolungato

27 Leptina Già più di 40 anni fa un biochimico di fama, Kennedy, aveva formulato l ipotesi del lipostato, cioè di un sistema di regolazione dell accumulo di grasso nel tessuto adiposo Da qui è iniziata la ricerca di un gene e della relativa proteina che svolgesse questa funzione Jeffrey Friedman dell Università Rockeffeller di New York nel 1991 ha identificato per primo tale proteina e l ha denominata leptina (dalla radice greca leptos che significa magro). Il gene è stato t denominato ob e ratti privi i di ob diventano obesi. Nell uomo però le relazioni fra obesità e gene ob sono più complesse e il fenomeno più probabile che si instaura è uno stato di RESISTENZA alla leptina, così come avviene per l insulina nel diabete di tipo II.

28 Leptina e NPY I neuroni neuropeptidergici i i del nucleo arcuato ipotalamico producono il peptide NPY che controlla il bilancio i energetico, in parte stimolando l assunzione di cibo e in parte inibendo ib la termogenesi. La leptina diminuisce la sintesi, la produzione ed il rilascio del NPY negli animali normali. La diminuzione di NPY fa diminuire l assunzione di cibo.

29 Fattori che regolano la secrezione di leptina Stimolanti Massa adiposa Dimensione adipociti Iperalimentazione Insulina Acidi grassi Glucocorticoidi TNF -IL1 Inibenti Digiuno Freddo Esercizio fisico intenso (ma in relazione alla diminuzione della massa grassa) Androgeni Ipertono simpatico Catecolamine Ormone della crescita

30 Leptina e set point del peso corporeo La leptina correla con la quantità di grasso corporeo e informa l encefalo di quanto grasso l organismo abbia accumulato. Questo standard interno o set point o lipostato o leptinostato è localizzato a livello ipotalamico. Non è ancora noto esattamente come il set point confronti l effettiva quantità di grasso corporeo con lo standard interno e quindi prenda le misure per riportare il peso corporeo al suo valore iniziale. E chiaro comunque che non è solo un circuito chiuso. Il set point può essere alterato da fattori genetici e ambientali. L ambiente include variabili come la dieta, l attività fisica o la sua mancanza, lo stress della vita quotidiana, tutti fattori che tendono ad alterare il peso corporeo e a spostare il set point verso l alto o verso il basso. L obesità è un esempio di set point deviato verso l alto,mentre alcuni disturbi del comportamento alimentare, come l anoressia nervosa, sono esempi di set point spostato verso il basso

31 Resistenza alla leptina Nei soggetti obesi la leptina non è diminuita ma perde efficacia Sono i recettori ipotalamici per la leptina che perdono la sensibilità e quindi sviluppano una resistenza alla leptina come segnale I livelli di leptina d altra daltra parte diminuiscono con la perdita di massa grassa e questa variazione ha dimostrato di essere un segnale più efficace dell aumento. Quindi mentre livelli elevati di leptina che dovrebbero indurre un comportamento di astinenza dal cibo possono essere vanificati da uno stato di leptino-resistenza, livelli lli diminuiti i iti di leptina segnalano efficacemente che occorre mettere in atto un comportamento di ricerca del cibo.

32 Altre azioni della leptina Il sistema di controllo della bilancia energetica e quindi del peso corporeo è quindi più sensibile alla perdita di peso che al suo aumento. Inoltre il digiuno o la carente disponibilità di cibo si accompagnano a diverse modificazioni dello stato neuroendocrino, che comprendono, fra l altro: riduzione dei livelli dell ormone tiroideo l attivazione dell asse ipofisi- surrene (stato di stress) Queste modificazioni sono prevenute o attenuate dopo l assunzione di cibo,,quando i livelli di leptina sono ristabiliti. La dose di leptina richiesta per tali azioni neuroendocrine è minore rispetto a quella che induce perdita di peso.

33 In sintesi la leptina: Riduce l introito di cibo Aumenta il dispendio energetico Regola l attività tiroidea Facilita l ematopoiesi Regola il sistema riproduttivo e immunologico i Regola la formazione dell osso

34 Emoglobina glicosilata (HbA1c)