Anche nelle cellule più semplici i processi metabolici devono essere coordinati in modo che vie opposte non possano procedere contemporaneamente e che l organismo possa rispondere a eventuali variazioni dell ambiente. Negli animali superiori questo compito è semplificato dalla DIVISIONE DEI LAVORI METABOLICI tra i tessuti. La coordinazione di questi lavori è poi assicurata da segnalazioni nervose e dagli ormoni. In questa parte di programma esamineremo il metabolismo energetico specializzato dei vari organi e le vie metaboliche che li collegano. Esamineremo inoltre i meccanismi tramite i quali gli ormoni extracellulari influenzano gli eventi intracellulari nei diversi organi. La centralità funzionale del fegato è indicata dal fatto che di solito definiamo gli altri organi extraepatici o periferici. 1
Due composti si trovano nei punti di incrocio delle principali vie metaboliche: il piruvato e l acetil-coa. Solo il fegato è in grado di catalizzare tutte le reazioni della figura, nelle altre cellule solo una minima parte avviene a velocità significativa. I metaboliti transitano nei diversi organi in funzione dello stato nutrizionale dell animale. Dopo un pasto i metaboliti sono disponibili dall intestino, nel digiuno sarà il fegato a fornire glucosio e corpi chetonici mentre il tessuto adiposo fornirà i grassi per tutto l organismo. Andiamo a considerare il metabolismo in alcuni organi dei mammiferi. La preminenza del tessuto glucidico è testimoniata dall attività dell esochinasi, 20 volte più elevata rispetto agli altri tessuti. L esochinasi cerebrale è saldamente legata ai mitocondri e gli enzimi glicolitici sono presenti sia nel corpo cellulare del neurone che nell assone. 9/10 di glucosio glicolisi-ciclo di Krebs 1/10 via fosfogluconato Rappresenta il 2% della massa corporea ma è responsabile del consumo del 20% di O 2 il 25% del glucosio utilizzati dall intero organismo in condizioni di riposo. La maggior parte dell energia è utilizzata dalle pompe Na 2+ K + ATPasi per il mantenimento del potenziale di membrana. 2
Nel digiuno prolungato si adatta ad adoperare i corpi chetonici. Il cervello è incapace di ossidare gli acidi grassi per mancanza di enzimi della β-ossidazione Possiede poco glicogeno per cui il cervello dipende quasi esclusivamente dal glucosio plasmatico Il metabolismo basale del cervello non è controllato dall insulina, incapace di attraversare la barriera ematoencefalica 5 mm di glucosio nel sangue disfunzioni a livello celebrale Al disotto di questo valore coma, danni irreversibili infine morte I lipidi (50% massa solida) che costituiscono il tessuto nervoso sono fosfolipidi, sfingomieline e fosfatidilinositoli (40%) glicolipidi (35%) colesterolo (20%). Biosintesi intensa anche per intenso turnover dei lipidi di membrana. Primariamente nelle guaine mieliniche e la loro perdita è alla base della sclerosi multipla. 3
Il 75% è costituito da a. glutammico e a. aspartico. Il glutammato deriva per il 60% dal plasma per il 40% sintetizzato da glucosio. Nella reazione della glutammina sintetasi fissa l ammoniaca che, se in eccesso, risulta altamente lesiva per le funzioni cerebrali. L aspartato viene acetilato a spese dell acetil-coa per formare N- acetilaspartato la cui funzione è ignota. L N-acetilaspartato è concentrato nelle cellule cerebrali ed è considerato un marcatore per queste cellule. Analisi spettroscopica in risonanza magnetica In condizioni di riposo sintetizza e accumula GLICOGENO che costituisce l 1-2 % della massa. Lo sforzo della sintesi di glicogeno è conveniente perché il glicogeno è mobilizzato velocemente e in condizioni di anareobiosi 4
Il metabolismo che avviene nelle cellule del muscolo scheletrico è specializzato per produrre ATP disponibile per la contrazione Fibre muscolari lente o rosse Fibre muscolari veloci o bianche Ricche di mitocondri e ben ossigenate attraverso una ricca rete di capillari sanguigni sono resistenti alla fatica e producono ATP attraverso la FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Posseggono pochi mitocondri e sono meno vascolarizzate ma sono in grado di produrre tensioni muscolari elevate ma in tempi brevi. Utilizzano velocemente ATP ma non riescono a rigenerarlo in maniera veloce. In tutti gli individui la proporzione di fibre rosse e bianche è dovuta ad una componente genetica ma l allenamento può potenziare la resistenza delle fibre muscolari veloci La contrazione muscolare è determinata dall idrolisi dell ATP, che a riposo deve venire rigenerato. La respirazione è la fonte principale di rifornimento di ATP. Il muscolo a riposo consuma il 30% del O 2 consumato da l uomo. Il consumo sale per un aumentato carico di lavoro ma il consumo di ATP sale di più. Inizialmente l ATP è generato dalla FOSFOCREATINA CrP + ADP Creatina chinasi Cr + ATP Il rifornimento di ATP da parte della creatina fosfato dura però solo 4 sec. Dopo questo tempo quindi l ATP viene fornito dalla glicolisi il cui flusso supera di gran lunga quello del ciclo dell acido citrico e della fosforilazione ossidativa. Il glucosio 6-fosfato è quindi degradata a lattato che esportato nel sangue alleggerisce il carico respiratorio del muscolo. L affaticamento muscolare è dovuto all abbassamento di ph determinato dall acido lattico nel sangue. 5
Fonti di ATP durante l esercizio fisico nell uomo Lo spostamento dal metabolismo anaerobico a quello aerobico avviene dopo 90 sec o più tardi negli atleti ben allenati Nelle prime fasi dell esercizio muscolare il glucosio, che è la fonte principale di energia, deriva dalle riserve di glicogeno; in seguito quando le riserve sono finite, gli acidi grassi diventano il principale combustibile. Muscolo a riposo Acidi grassi dal tessuto adiposo o corpi chetonici dal fegato Muscolo moderatamente attivo Anche glucosio del sangue Muscolo in intensa attività ( fibre veloci) Demolizione del glicogeno a lattato (fermentazione lattica) con risparmio di un ATP 6
Ha sempre un metabolismo aerobico, possiede infatti molti più mitocondri del muscolo scheletrico occupano infatti il 40% dello spazio citoplasmatico. Come nutrienti utilizza una miscela di glucosio, acidi grassi e corpi chetonici che gli arrivano dal sangue. Non conserva glicogeno in grandi quantità ed ha una piccola riserva energetica di creatina fosfato. Il rifornimento di ossigeno e combustibili dal sangue deve essere sempre continuo. Gli acidi grassi sono la fonte energetica preferita dal cuore ma durante uno sforzo intenso aumenta il consumo di glucosio. Il tessuto adiposo è il tessuto meno ricco in acqua (8-10%), più ricco in trigliceridi (85-90%) e tra i più diffusi (15-20% sul peso totale) dell organismo. FUNZIONI: Protezione meccanica degli organi interni Isolamento termico Riserva di metaboliti energetici TESSUTO ADIPOSO BIANCO svolge tutte le funzioni sopra menzionate TESSUTO ADIPOSO BRUNO Solo la funzione di termogenesi 7
Gli adipociti sono metabolicamente molto attivi e sotto stimolo ormonale modificano velocemente il loro metabolismo integrandolo con quello del fegato, del muscolo scheletrico e del cuore. La sua funzione è di accumulare grassi e rilasciare acidi grassi quando sono necessari come fonte di energia all organismo. Il tessuto adiposo di un uomo normale di 70 Kg contiene circa 15 Kg di grasso che rappresentano una quantità energetica pari a 590 000 KJ, suffiecenti per tre mesi di vita. Gli adipociti sono metabolicamente molto attivi e sotto stimolo ormonale modificano velocemente il loro metabolismo integrandolo con quello del fegato, del muscolo scheletrico e del cuore. La sua funzione è di accumulare grassi e rilasciare acidi grassi quando sono necessari come fonte di energia all organismo. Il tessuto adiposo di un uomo normale di 70 Kg contiene circa 15 Kg di grasso che rappresentano una quantità energetica pari a 590 000 KJ, sufficenti per tre mesi di vita. 8
1. Metabolismo ossidativo con utilizzo di glucosio e acidi grassi è modesto e il consumo di ossigeno pure è molto basso 2. Sintesi di acidi grassi e triacilgliceroli (alimentazione abbondante) 3. Rilascio di acidi grassi e glicerolo (digiuno) La biosintesi e deposito dei trigliceridi: La disponibilità dei trigliceridi è assicurata dal PLASMA e dalla BIOSINTESI EX NOVO a partire da glucosio. Il tessuto adiposo riceve la maggior parte dei suoi acidi grassi dalle lipoproteine circolanti (chilomicroni e VLDL). Le lipoproteine si legano mediante l Apo C II ( apolipoproteina) ad una LIPOPROTEINA LIPASI legata mediante una catenella polisaccaridica alla superficie endoteliale della cellula. La lipasi rompe i legami estere dei trigliceridi, gli acidi grassi entrano nella cellula mentre il glicerolo va libero nel sangue. Il glicerolo non entra nella cellula perchè i grassi, non posseggono la GLICEROLO CHINASI e quindi non lo possono adoperare per la sintesi dei triacilgliceroli. Il glicerolo-3-fosfato per la sintesi dei trigliceridi deriva dal diidrossiacetone fosfato (GLICOLISI). 9
La biosintesi dei triacil gliceroli richiede la previa attivazione degli acidi grassi ad acil-coa, operata dalla acil-coa sintetasi e la presenza di glicerolo 3-fosfato deriva dal deidrossiacetonfosfato per riduzione operata dalla glicerolo 3-fosfato deidrogenasi. Il processo è attivato dall INSULINA L INSULINA: Facilita l ingresso di glucosio (GLUT4) Stimola la glicolisi aumentando i livelli di fruttosio 2,6- bisfosfato Attiva la lipoproteina lipasi Attiva gli enzimi della sintesi In condizioni di necessità metabolica gli adipociti idrolizzano i trigliceridi mediante una lipasi (enzima attivo nella forma fosforilata), ormone sensibile (glucagone) e rilasciano gli acidi grassi che vengono trasportati nel sangue con l albumina. Se il glicerolo-3- fosfato è abbondante molti FFA vengono esterificati se manca, gli acidi grassi sono liberati nel sangue. La mobilizzazione degli acidi grassi dipende in parte dalla velocità di assorbimento del glucosio. 10
Nella maggior parte dei mammiferi, compreso l uomo, la normale produzione di calore che vede implicati soprattutto i tessuti muscolare ed epatico ma anche il tessuto adiposo bianco è più che sufficiente per mantenere costante la temperatura corporea. Il tessuto adiposo bruno rimane limitato a piccole isole dell organismo animale. Nella prima infanzia, dove il rapporto tra la produzione e la perdita di calore è a favore della seconda, il tessuto adiposo bruno è molto più sviluppato. Un ruolo chiave è svolto dal tessuto adiposo negli animali IBERNANTI, che ne posseggono grandi quantità (fino al 5% della massa corporea). Piante calde che emanano cattivo odore ARACEE Filodendri Gigli bianchi cavoli Processo respiratorio alternativo Producono calore prima dell impollinazione determinando l evaporazione di molecole maleodoranti L energia che potrebbe essere conservata come ATP viene rilasciata sottoforma di calore 11
Negli animali in letargo, l ossidazione degli acidi grassi fornisce l energia metabolica, calore ed acqua, necessari per un animale che non mangia e non beve per un periodo molto lungo La demolizione dei triacilgliceroli produce glicerolo, che viene convertito in glucosio m e d i a n t e l a gluconeogenesi. L orso riassorbe al livello renale e ricicla anche l urea prodotta dalla degradazione degli aminoacidi Il grizzly usa il grasso corporeo come unica fonte di energia nel periodo di letargo, mantenendo una temperatura corporea di 32-35 C. Circolazione enteroepatica molecole assorbite dal tratto digerente Arteria epatica sostanze prodotte dal metabolismo di altri organi Gli epatociti sono le cellule responsabili delle funzioni peculiari del fegato. Sono cellule a basso turnover e lunga vita media, manifestano grande capacità rigenerativa, tanto che dopo resezione chirurgica, la parte residua rigenera, in poche settimane, la massa asportata. 12
Il fegato è l organo che mantiene nel sangue la giusta concentrazione di prodotti energetici necessari al cervello, muscolo e a tutti gli altri tessuti (OMEOSTASI). Più di ogni altro tessuto presenta un ampia versatilità e flessibilità metabolica, tanto che tutti i processi metabolici, con l eccezione di alcuni peculiari dei tessuti altamente specializzati, si riscontrano in questo organo. POSIZIONE STRATEGICA: tutte le sostanze assimilate dall intestino, a parte i grassi, sono rilasciate nella vena porta che si riversa nel fegato. Tra le sostanze introdotte con l alimentazione. O accidentalmente, vi possono essere molecole tossiche (etanolo, farmaci, tossine naturali, conservanti industriali o sostanze nocive derivanti dalla flora batterica). TUTTE sono prese in carico dal fegato per la DETOSSIFICAZIONE La modulazione dell espressione degli enzimi epatici (sintesi e degradazione) avviene ad una velocità 5-10 volte superiore a quella osservata in altri tessuti. Il fegato inoltre consuma il 20% del fabbisogno totale di ossigeno dell organismo in condizioni di riposo. 13
GLUT2 e Glucochinasi Trasporta il primo e trasforma, il secondo, il glucosio circolante in glucosio-6-fosfato entrambi Km 10 mm La glucochinasi non è inibita dal suo prodotto ed è specifica per il glucosio La sua attività aumenta attivamente quando il glucosio è abbondante nel sangue, così come aumenta il flusso di glucosio attraverso la GLUT2. la concentrazione di glucosio portale dopo un pasto varia da 10 a 40 mm. 1. Può formare glucosio attraverso la glucosio 6 fosfatasi ( Glu. Nel sangue < 5 mm) 2. Può essere trasformato in glicogeno, quando la richiesta da parte dell organismo è bassa 3. Può essere trasformato in acetil- CoA per ottenere energia per le funzioni sintetiche cellulari o per la sintesi dei grassi 4. Può essere trasformato nella via dei pentoso fosfati per produrre NADPH per la sintesi dei grassi o zuccheri per la sintesi dei nucleotidi. 14
La capacità di sintesi del glicogeno è dovuta alla GLUCOCHINASI: q Inducibile dall insulina q Fosforila il glucosio anche quando la concentrazione di prodotto è elevata Inoltre nel fegato la GLICOGENO FOSFORILASI è inibita da elevate concentrazioni di glucosio che diventa più sensibile all azione della fosforilasi-fosfatasi Nel fegato la riserva epatica è a disposizione degli altri tessuti, ad esempio durante un esercizio muscolare. Il deposito di glicogeno del fegato decresce molto più rapidamente che non lo stesso glicogeno muscolare. Capacità di rilasciare glucosio propria del fegato è dovuta alla la glucosio-6- P fosfatasi Nell epatocita il glucosio trova adito a tutte le possibili vie metaboliche, alcune delle quali sono assenti o limitate in altri organi. Vie di sintesi 15
È con questo processo che il fegato mantiene la glicemia nei limiti fisiologici nei periodi di digiuno prolungato. Per il processo il fegato utilizza: a.a. glucogenici. Glicerolo e acido lattico. Gli a.a. derivano per lo più dai muscoli in seguito a proteolisi (digiuno prolungato e esercizio fisico intenso. Glicerolo è prodotto dall idrolisi degli acidi grassi. Quando glucosio scarso e a. grassi abbondanti: glicerolo è glucosio a.grassi è corpi chetonici 16
L acido lattico proviene al fegato dal muscolo (fibre bianche) dagli eritrociti e dalla midollare del rene e da altri distretti scarsamente ossigenati. La gluconeogenesi è sostenuta dal punto di vista energetico dal catabolismo degli acidi grassi Gli acidi grassi a lunga catena sono i principali substrati per il fegato, soprattutto a digiuno. Derivano dal tessuto adiposo ed arrivano al fegato come acidi liberi attraverso l albumina. Acidi grassi a catena media i corta sono abbondanti nel neonato in quanto presenti nel latte materno in forma di trigliceridi. Digeriti al livello intestinale, non sono riconvertiti in trigliceridi, seguono la corrente portale e come tali arrivano al fegato dove vengono convertiti ad Acil-CoA da enzimi specifici (fegato e rene) per poi seguire il destino mitocondriale della β-ossidazione. 17
Quando nell organismo animale la domanda di carburanti metabolici è elevata gli acidi grassi sono degradati, nel fegato, ad acetil-coa ed in seguito a CORPI CHETONICI per essere trasportati ai tessuti extraepatici. Oppure possono essere trasformati in fosfolipidi per essere inseriti nelle membrane. Quando la domanda di carburante è bassa, gli zuccheri in eccesso vengono trasformati in trigliceridi ed inseriti nelle lipoproteine VLDL per essere trasportati agli adipociti Quando gli acidi grassi sono sintetizzati nel fegato non possono venire nello stesso tempo ossidati ad Acetil-CoA (ciclo futile) perché il Malonil-CoA, che si forma nella sintesi, va ad inibire il trasporto degli Acil-CoA nel mitocondrio, legandosi all acil-carnitina transferasi I. Nella sintesi il substrato e il carburante derivano dagli zuccheri 18
Formazione dei corpi chetonici ê conc. di glucosio ê Insulina é Lipolisi adipocitica é Β-ossidazione nel fegato Stessa situazione nel diabete mellito senza però la diminuzione della glicemia I mitocondri epatici sono la sede esclusiva della sintesi dei corpi chetonici. L eccesso di acetil-coa rispetto allo smaltimento nel ciclo di Krebs viene trasformato in corpi chetonici. 19
Gli amminoacidi sono degradati nel fegato ad intermedi metabolici che possono venire o completamente ossidati a CO 2 e H 2 O o trasformati in GLUCOSIO e CORPI CHETONICI. L ossidazione fornisce energia metabolica immediatamente dopo un pasto oppure durante il digiuno prolungato dove gli amminoacidi GLUCOGENICI sono trasformati in glucosio ed i CHETOGENICI in corpi chetonici Le proteine oltre a svolgere un importante funzione strutturale sono quindi anche importanti riserve di energia 1. Gli amminoacidi precursori della sintesi proteica 2. Turnover proteico di pochi giorni Nei periodi di digiuno Vengono sintetizzate la maggior parte delle proteine plasmatiche 20
ALBUMINA responsabile del trasporto di molte sostanze PROTEINE DI TRASPORTO Trasferrina, ceruloplasmina PROTEINE DELLA COAGULAZIONE APOPROTEINE INIBITORI DELLE PROTEASI FATTORI DEL COMPLEMENTO Ecc. La frazione più importante di a.a. che contribuisce alla sintesi di urea è quella proveniente dall intestino, in particolare citrullina e arginina. La citrullina viene trasformata in arginina nei reni e l arginina vien e catturata dal fegato e trasformata in ornitina. La somministrazione di arginina e citrullina sopprime immediatamente i sintomi da accumulo di ammoniaca. Se al gatto, uno dei mammiferi più sensibili all accumulo di ammoniaca, viene somministrato un pasto proteico deficiente di arginine e citrullina, si instaura un intossicazione da ammoniaca che si manifesta con vomito e nei casi più gravi con coma e morte dell animale. 21
Tutti gli organi che abbiamo esaminato rispondono a stimoli ormonali interagendo tra di loro. Questo scambio di metaboliti ed informazione avviene grazie al sangue. In questo periodo di intensa attività muscolare la respirazione accelera. La maggior parte dell ossigeno assunto viene usato dal fegato per produrre ATP con la fosforilazione ossidativa che servirà per rigenerare glucosio dal lattosio attraverso la gluconeogenesi. Dopo un esercizio intenso sono necessari 30 min prima che la velocità di consumo di O 2 diminuisca fino a livelli basali. Questo elevato consumo di O 2 compensa il DEBITO DI OSSIGENO creato dalla domanda di ATP per la gluconeogenesi nel fegato. 22
L alanina viene trasportata dal muscolo al fegato in una via simile al ciclo di Cori: il CICLO GLUCOSIO-ALANINA. Nel muscolo alcune transferasi adoperano come α- amminoacido il PIRUVATO a.a. + piruvato α-amminoacido + alanina Questo ciclo è un sistema di trasporto dell azoto dal muscolo al fegato. In condizioni di digiuno il glucosio viene adoperato anche da altri tessuti con conseguente interruzione del ciclo. 23
Diversamente da gli altri nutrienti i grassi dei chilomicroni non sono captati direttamente dal fegato vi arrivano solo dopo essere stati svuotati da tutti gli altri organi dalla lipoproteina lipasi come rimanenze dei chilomicroni 24