Metabolismo Dr. Augusto Innocenti, PhD Biologo Nutrizionista Prof. a contratto Università di Parma Perfezionamento in Biochimica e Biologia Molecolare Phd in Neurobiologia e Neurofisiologia Metabolismo Il complesso di tutte le reazioni organiche di trasformazioni tra energia e materia viene definito come metabolismo. Anabolismo caratterizzato dalla sintesi di molecole complesse con relativo consumo energetico Catabolismo caratterizzato dalla degradazione di molecole complesse in molecole più semplici con liberazione di energia. 1
Catabolismo Carboidrati Lipidi Proteine Glicogenolisi Lipolisi Proteolisi Monosaccaridi Acidi Grassi Amminoacidi Glicolisi -Ossidazione Deaminazione Piruvato Acetil CoA Ossalacetato Ciclo di Krebs Fosforilazione Ossidativa Le varie vie del catabolismo dei nutrienti che convergono nel ciclo di Krebs che poi conduce alla fosforilazione ossidativa. 2
Glicolisi Glucosio +2Pi +2ADP +2NAD + 2 piruvato +2ATP +2NADH +2H + +2H 2 O Glicolisi Piruvato AEROBIOSI NADH Ciclo di Krebs AcetilCoA ANAEROBIOSI (Muscolo) 3
Lipolisi I trigliceridi vengono utilizzati come fonte di energia; il primo passaggio è la lipolisi che, grazie alla lipasi, dà acidi grassi non esterificati (NEFA) e glicerolo. Il glicerolo viene trasformato in una molecola che è un intermedio sia della glicolisi che della gluconeogenesi. Stimolata da adrenalina e glucagone. L'attività lipolitica aumenta per: insufficiente apporto di glucidi con la dieta durante il digiuno Ciclo di Krebs Fosforilazione Ossidativa NADH Mitocondrio 3 ATP 4
Lipolisi Catabolismo Glicolisi Trigliceridi Glucosio Glicerolo Acidi grassi Piruvato AcetilCoA Ciclo di Krebs 5
L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa), è idealmente di 36 molecole di ATP. In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH prodotte nella glicolisi. Glicolisi 2 ATP + 2 NADH 2 Piruvato 2 AcetilCoA 2 Krebs 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH 2 Degradazione degli aminoacidi Quando avviene la degradazione degli amminoacidi aminoacidi inutilizzati durante la sintesi proteica dieta iperproteica durante il digiuno quando carboidrati e lipidi non sono disponibili 6
Degradazione degli aminoacidi I venti aminoacidi hanno venti vie diverse di degradazione che però convergono sostanzialmente in verso la formazione di cinque prodotti principali, tutti correlati col ciclo di Krebs Degradazione degli aminoacidi Gli amminoacidi degradati ad acetilcoa sono detti chetogenetici Gli altri sono glucogenetici e possono formare glucosio attraverso la gluconeogenesi. Non essenziali Aminoacidi glucogenici Alanina Arginina Asparagina Aspartato Cisteina Glutammato Glutammina Glicina Istidina Prolina Serina Aminoacidi glucogenici e chetogenici Tirosina Aminoacidi chetogenici Essenziali Metionina Treonina Valina Fenilalanina Isoleucina Triptofano Leucina Lisina 7
Degradazione degli aminoacidi La prima tappa del catabolismo degli amminoacidi prevede l'allontanamento del gruppo amminico (transaminazione e deaminazione) Lo scheletro carbonioso viene così utilizzato nel ciclo di Krebs o nella gluconeogenesi Il residuo amminico entra nel ciclo dell urea per essere escreto o viene utilizzato per la sintesi di composti azotati Gluconeogenesi Processo metabolico mediante il quale, in caso di necessità dovuta ad una carenza di glucosio nel flusso ematico, che permette di produrre glucosio a partire da precursori non saccaridici, quali piruvato, lattato, glicerolo e amminoacidi. 2 PIRUVATO + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 6H2O GLUCOSIO + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 8
Ciclo di Cori Ciclo dell Alanina Il muscolo che si contrae violentemente, agisce in condizioni di anaerobiosi, e produce non solo ammoniaca (dalla degradazione delle proteine), ma anche elevate quantità di piruvato e lattato dalla glicolisi. Questi prodotti devono passare dal muscolo al fegato: l'ammoniaca per essere convertita in urea ed essere escreta, il piruvato ed il lattato per essere riconvertiti in glucosio e ritornare al muscolo. 9
Il ciclo glucosio-alanina è stimolato dalla concentrazione plasmatica di piruvato e dall'aumento dei livelli plasmatici di glucocorticoidi (cortisolo) in risposta ad un evento stressante di origine fisica (digiuno, malattia, operazione chirurgica, sforzo intenso) o psichica (ansia da prestazione ecc.). Anabolismo 10
Glicogenosintesi e Glicogenolisi Epinefrina nei muscoli glucagone del fegato stimolano l'attivazione della glicogenolisi che sarà inibita da un eccesso di ATP ed attivata da alte concentrazioni di AMP. Affinché il glucosio possa essere utilizzato dalla glicogeno sintetasi occorre che sia attivato da un enzima detto UDP-glucosio pirofosforilasi. Sintesi degli acidi grassi La biosintesi degli acidi grassi avviene principalmente nel citoplasma delle cellule del fegato a partire dai gruppi acetile (acetil CoA) generati all'interno del fegato. Dato che tali gruppi possono derivare dal glucosio è possibile convertire i carboidrati in grassi. 11
Sintesi Proteica La sintesi proteica, anche detta traduzione, è il processo di creazione delle proteine che coinvolge diverse strutture genetiche e cellulari. In pratica è la parte finale dell insieme di processi biochimici che portano all espressione delle informazioni contenute nel patrimonio genetico di un organismo ed è in grado di fabbricare migliaia di esemplari di ognuna delle proteine di cui necessita un essere vivente. Sintesi Proteica 12
Insulina Azione ipoglicemizzante richiama glucosio in cellule Stimola la glicogenosintesi a livello epatico Inibisce glicogenolisi Facilita il passaggio degli aminoacidi dal sangue alle cellule Stimola la sintesi proteica e inibisce la neoglucogenesi Facilita il passaggio degli acidi grassi dal sangue alle cellule Stimola la sintesi di acidi grassi a partire da glucosio e aminoacidi Inibisce la lipolisi Facilita il passaggio di potassio all'interno delle cellule. Stimola la proliferazione cellulare. Stimola glicolisi Stimola la produzione endogena di colesterolo. Glucagone Il glucagone è un antagonista dell'insulina Promuove la glicogenolisi a livello epatico (non quella muscolare) Inibisce la glicogenosintesi Stimola la gluconeogenesi. Favorisce la sintesi surrenalica di catecolamine ed aumenta la forza di contrazione del cuore (azione inotropa positiva). Stimola la mobilitazione degli a. grassi e ne favorisce l ossidazione Inibisce la sintesi di a. grassi Il maggior stimolo per l'azione del glucagone è dato dal digiuno e dall'attività fisica prolungata di intensità medio alta. 13
Cortisolo Induce un aumento della gittata cardiaca Aumenta la glicemia, - Incrementa la gluconeogenesi epatica - Stimola la secrezione di glucagone - Riduce l'attività dei recettori insulinici Riduce le difese immunitarie diminuendo, di conseguenza, anche le reazioni infiammatorie (inibizione della fosfolipasi A2) Diminuisce la sintesi di collagene e della matrice ossea Favorisce il catabolismo proteico Favorisce la mobilitazione e l'utilizzo degli acidi grassi, ma in alcuni distretti stimola la lipogenesi Un aumento del cortisolo in circolo si manifesta anche in caso di digiuno prolungato o abitudini alimentari scorrette. Saltare la prima colazione e/o mangiare molto in un unico pasto giornaliero, favorisce infatti l'ipercortisolismo Il Flusso di Energia dei Nutrienti L assunzione del cibo include quattro fasi durante le quali si attuano quattro atti fisiologici correlati all ingestione del cibo, ricercare e mangiare, digerire, assorbire ed infine consumare le riserve. Tali fasi sono associate ad altrettanti processi del metabolismo energetico che possono essere definite come fase cefalica, fase gastrica, fase del substrato e fase del digiuno. 14
Il Flusso di Energia dei Nutrienti Durante le quattro fasi il flusso di energia derivante dal catabolismo dei vari nutrienti viene controllato ed indirizzato dagli ormoni insulina glucagone. Il Flusso di Energia dei Nutrienti Fase Cefalica Fase Gastrica Fase del Substrato Insulina Fase del Digiuno Glucagone Pasto 15
Il Flusso di Energia dei Nutrienti Pasto ad alto carico glicemico Pasto a basso carico glicemico 16