Digestione, assorbimento e metabolismo

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1 Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia Biofisica e Fisiologia I Digestione, assorbimento e metabolismo H 2 O + CO 2 + Q ATP Q ADP+P i W Biomol. + O 2 Sintesi Biomol. O 2

2 Energia Organismo ATP Gradienti Lavoro meccanico interno Lavoro chimico Depositi Termoregolazione Lavoro esterno + Calore ENERGIA (ATP) 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, CO 2, H 2 O, NH 3 ( urea)

3 27% Sintesi di proteine 24% Na+-K+ ATPasi ATP 9% gluconeogenesi 6% Ca 2+ ATPasi 5% ATPasi miosinica 3% produzione di urea Red Ox SH 2 S Acc -2 H AccH H ½O 2 H 2 O NAD FAD NADH + H + FADH 2

4 Equivalenti di riduzione Equivalenti di riduzione Equivalenti di riduzione

5 Il trasporto di elettroni è accoppiato alla produzione di ATP (chemiosmosi) Protein complex Intermembrane space Electron carrier Inner mitochondrial membrane Electron flow Mitochondrial matrix H + ELECTRON TRANSPORT CHAIN ATP SYNTHASE

6 I nutrienti necessari per la produzione di energia possono derivare dalla DIETA BIOSINTESI RISERVE Componenti della DIETA NUTRIENTI: glicidi, 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 monomero - per scissione idrolitica - ASSORBIMENTO lume intestinale enterocita circolo (plasma, linfa) MALASSORBIMENTO Difetti digestione /assorbimento DIGESTIONE BOCCA saliva: digestione amido (α-amilasi) STOMACO digestione proteine (e trigliceridi) secrezione gastrica -HCl - zimogeni ed enzimi (pepsinogeno) - fattore intrinseco (assorbimento vitamina B 12 ) INTESTINO TENUE digestione proteine, carboidrati, lipidi bile - funzione digestiva, HCO 3-, sali biliari -funzione escretoria (sostanze lipofile, quali pigmenti biliari, farmaci) secrezione pancreatica: HCO 3-, zimogeni ed enzimi

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9 SECREZIONE SALIVARE La saliva è il primo succo digestivo che gli alimenti incontrano nell apparato digerente; la sua azione è strettamente correlata con la masticazione e la successiva deglutizione. La secrezione salivare nell uomo varia tra 800 e 1500 ml/giorno ed è prodotta dalle ghiandole salivari: parotidi, sottomascellari e sottolinguali, disposte bilateralmente. Le cellule secernenti sono di tipo acinoso composto e la loro secrezione è di tipo sieroso (ptialina), per la digestione degli amidi, e di tipo mucoso (mucina) ad azione lubrificante e protettiva delle superfici epiteliali. La saliva ha un ph compreso tra 6 e 7, cioè un intervallo di valori favorevole all azione digestiva della ptialina. La composizione media è per il 99,5% di acqua e solo lo 0,5% di sostanze disciolte (sostanze organiche, cloruri e bicarbonati di K +, Na + e Ca 2+ ). Pressione cavo orale + Olfatto Gusto Vista Udito SNC + Nuclei Salivatori Bulbari - Gangli parasimpatici Sonno Stanchezza Paura ACh Ghiandole salivari

10 La saliva, in base alla sua composizione, svolge diverse funzioni: 1- Funzione idratante ed emolliente dei cibi, dovuta alla sua ricchezza in acqua, necessaria per la formazione del bolo e per la sua deglutizione; 2 Funzione protettiva della mucosa orale e dei denti, dovuta alla presenza in essa di muco, sali minerali ed inoltre di ioni tiocianato. Va menzionata anche la presenza di anticorpi, capaci di distruggere i batteri nel cavo orale. 3 Funzione digestiva per la presenza dell enzima α-amilasi salivare (ptialina) ed enzimi proteolitici (tra cui il lisozima). 4- Funzione solvente per le sostanze capaci di dare sensazioni gustative.

11 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

12 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

13 SGLT GLUT

14 GLUT proteine di trasporto di glucosio attraverso la membrana Trasporto bidirezionale, indipendente da ATP 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 K m 3 mm trasporto basale nella maggior parte dei tessuti GLUT2 K m 17 mm bassa affinità mai saturo, flusso lineare con la concentrazione di glucosio nel pancreas: sensore livelli di glucosio ematico e secrezione insulina GLUT3 K m 1,7 mm alta affinità, saturo anche a basse concentrazioni di glucosio

15 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 Digestione delle proteine Enzimi digestivi secreti come zimogeni inattivi, attivati tramite proteolisi nel lume intestinale

16 I. DIGESTIONE PROTEINE - STOMACO ph acido: denatura le proteine alimentari ph acido: autoattivazione del PEPSINOGENO PEPSINA + peptidi Il processo prosegue in modo autocatalitico Pepsina: endopeptidasi poco specifica ma preferisce rompere il legame peptidico che coinvolge il gruppo carbossilico di Tyr, Phe, Trp proteine alimentari + pepsina grandi peptidi

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18 K + /H + ATPase

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21 STIMOLAZIONE ORMONALE E PARACRINA E indotta da segnali nervosi, ma anche da riflessi enterici locali che determinano appunto la liberazione, da parte delle cellule della mucosa gastrica, di ormoni. GASTRINA prodotta dalle cellule endocrine (cellule G) delle ghiandole gastriche in risposta ad alimenti proteici; assorbita dal sangue, stimola le cellule oxintiche e quelle principali nell aumentare la secrezione acida (anche di 8 volte). ISTAMINA amina biogena prodotta, in piccole quantità, dagli istaminociti, aumenta la secrezione acida delle cellule oxintiche. Da sola non ha un ruolo importante, ma in presenza di ACETILCOLINA e di GASTRINA l azione dell ISTAMINA è amplificata. Quindi si può parlare dell ISTAMINA come di un cofattore necessario per promuovere una significativa secrezione di acido. L ISTAMINA si lega sui recettori H 2 delle cellule oxintiche; farmaci antistaminici che bloccano i recettori H 2 (cimetidina, ranidina) sono efficaci nel ridurre l acidità gastrica. STIMOLAZIONE NERVOSA ACETILCOLINA (Azione stimolante) NORADRENALINA (Azione inibente)

22 OMEPRAZOLO ANTAGONISTI H2 PIRENZEPINA

23 SECREZIONE PANCREATICA Il succo pancreatico è un liquido incolore con un contenuto di H 2 O pari al 98-99% ed un ph tra 7,8 e 8, perché ricco di NaHCO 3. Per il resto (0,7%) questo succo è formato da un complesso di proteine enzimatiche capaci di scindere i costituenti alimentari: proteine, carboidrati e grassi. La quantità di succo pancreatico varia da 500 a 2000 ml/24h. SECREZIONE PANCREATICA DI IONI BICARBONATO Il ruolo principale di questo secreto alcalino è quello di neutralizzare il chimo fortemente acido riversato nel duodeno.

24 Le cellule endocrine della mucosa duodenale producono due ormoni gastroenterici molto attivi, la secretina e la colecistochinina (CCK). Una volta prodotti, attraversano la mucosa duodenale e passano nel circolo sanguigno, per poi raggiungere il pancreas di cui ne stimolano la secrezione. La secretina stimola molto intensamente la secrezione pancreatica ed, in misura minore, anche quella biliare ed intestinale. Inoltre, inibisce la secrezione acida delle ghiandole gastriche. Il secreto pancreatico evocato dalla secretina è ricco di H 2 O e di HCO - 3, ma povero di enzimi. Lo stimolo più efficace per la liberazione di secretina, dalle cellule endocrine della mucosa duodenale, è l acidità del contenuto del duodeno (ph che scende sotto 4,5-5) La colecistochinina (CCK) stimola la secrezione pancreatica che risulta povera di acqua e bicarbonato e ricca di enzimi (soprattutto tripsinogeno). La liberazione della CCK evocata dalla presenza, nel duodeno, di prodotti della digestione proteica (peptoni e polipeptidi). AZIONE ORMONALE SULLA REGOLAZIONE DELLA SECREZIONE GASTRICA E PANCREATICA

25 Digestione delle proteine intestino tenue

26 ENZIMI PANCREATICI Zimogeni secreti dal pancreas esocrino Enterochinasi: legata alla membrana apicale degli enterociti Endopeptidasi TRIPSINOGENO + enterochinasi TRIPSINA + esapeptidi CHIMOTRIPSINOGENO + tripsina CHIMOTRIPSINA +2 dipeptidi PROELASTASI + tripsina ELASTASI TRIPSINA - scinde su lato carbossilico di a.a. basici (Arg, Lys) CHIMOTRIPSINA - scinde su lato carbossilico di a.a. idrofobici (Phe, Tyr, Trp) ELASTASI - scinde su lato carbossilico di aa neutri (Gly, Ala, Val) Esopeptidasi (rilasciano a.a. liberi e oligopeptidi di 2-8 residui) PROCARBOSSIPEPTIDASI A e B + tripsina CARBOSSIPEPTIDASI CARBOSSIPEPTIDASI A - a.a. aromatici CARBOSSIPEPTIDASI B - a.a basici (Lys, Arg) Digestione delle proteine mucosa intestinale Enzimi ancorati alla membrana dell enterocita: - AMINOPEPTIDASI - DIPEPTIDASI - PRODOTTI DELLA DIGESTIONE: AMMINOACIDI LIBERI, DI- e TRiPEPTIDI

27 Assorbimento di amminoacidi, di- e tri-peptidi I peptidi possono entrare nell enterocita dove sono scissi da amminopeptidasi citosoliche. ASSORBIMENTO: tramite numerosi trasportatori specifici per classi di a.a. (neutri, basici,..), in genere cotrasportati con Na + o H + ENTEROCITI metabolizzano glutammina (loro principale fonte energetica), Glu, Asp, Arg per risparmiare glucosio ed acidi grassi per gli altri tessuti Il trasporto dei dipeptidi/tripeptidi è accoppiato a quello dei H + nell intestino (PepT1) e nel rene (PepT2) H + peptidi Dipeptiditripeptidi H + aminoacidi H + K + ATP Na + H + Na + sangue Lume

28 SECREZIONE BILIARE La BILE è prodotta dall attività esocrina delle cellule del fegato ed ammonta a circa 1000 ml/giorno. La bile contiene acidi biliari che facilitano l emulsione delle grandi particelle di grasso del chimo in piccole particelle che possono essere meglio attaccate dall azione delle lipasi pancreatiche. Inoltre, facilitano il trasporto e l assorbimento dei prodotti terminali della digestione dei grassi.

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33 BILANCIO IDRICO GIORNALIERO DI UN ADULTO APPORTO H 2 O BILANCIO IDRICO GIORNALIERO DI UN ADULTO ELIMINAZIONE H 2 O

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35 Metabolismo (insieme delle reazioni chimiche) Estrazione energia dai nutrienti Utilizzazione energia per compiere lavoro chimico e meccanico Accumulo energia per disponibilità future Energia in entrata Energia in uscita

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37 FASE DI ASSORBIMENTO MUSCOLO SCHELETRICO Le fibre striate assumono glucosio ed amminoacidi per le necessità energetiche. Convertono il glucosio in glicogeno e gli A.A. in proteine FEGATO Le cellule epatiche assumono glucosio ed amminoacidi. Convertono il glucosio in glicogeno e possono sintetizzare proteine. Gli AA sono prevalentemente trasformati in chetoacidi alcuni dei quali sono intermedi della glicolisi o del ciclo di Krebs. La maggior parte dei chetoacidi è trasformata in acidi grassi e, quindi, in trigliceridi. I trigliceridi lasciano il fegato e sono immessi in circolo come VLDL La lpl presente sulle membrane cellulari degli adipociti idrolizza i TG in FFA e glicerolo. Questi sono internalizzati e utilizzati per formare trigligeridi. DISPONIBILITA DI ENERGIA Adulto, 75 kg, massa muscolare 28 kg ATP : 4 kj CP : 15 kj Glicogeno: 4600 kj Lipidi : kj

38 RISERVE ENERGETCHE IN UN ADULTO DI 70 kg Glicogeno Trigliceridi Proteine (mobilizzate) Muscolo Scheletrico 71% 1% 98% Fegato 24% 1% 2% Tessuto Adiposo 5% 99% 1% Encefalo 1% 0 0

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42 L insulina segnala che la concentrazione di glucosio è più alta del normale (iperglicemia) Il glucagone segnala che la concentrazione di glucosio è più bassa del normale (ipoglicemia) Il glucosio in eccesso viene assorbito dal sangue e convertito in glicogeno e trigliceridi Demolizione del glicogeno, stimolazione della gluconeogenesi e della degradazione dei grassi

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