Biochimica: metabolismo dei carboidrati

BIOCHIMICA: METABOLISMO

DEI CARBOIDRATI

Prof. Fanzani

Il glucosio (C6H12O6) è il carboidrato più abbondante nel corpo umano, è la fonte

principale di energia ed è presente a una concentrazione costante di 70-100 mg/dL

di sangue.

Integrando molte molecole di glucosio, si polimerizzano per ottenere quelle di

glicogeno (1 molecola ha una pressione osmotica di 1/1000 di quella del glucosio

perché molti legami sono impegnati nella formazione del polimero e per via della

struttura tridimensionale, dove solo la superficie esterna è a contatto con l’acqua, e

anche perché nel fegato e nei muscoli c’è l’enzima glicogeno fosforilasi che può agire

rimuovendo solo le estremità terminali non riducenti). ????

I tessuti e le cellule si sono adattati a consumare prevalentemente glucosio, zucchero

esoso che viene introdotto tramite la dieta. Viene utilizzato da tutte le cellule del

corpo e ci sono alcune cellule che utilizzano esclusivamente quello, ovvero eritrociti e

neuroni, infatti vengono definiti monocarburanti.

La presenza o assenza dei mitocondri nelle cellule costituisce una vera e propria

barriera metabolica che condiziona le possibilità evolutive delle cellule, perché

indicano sia la capacità di produrre energia che il tipo di via metabolica da

intraprendere. Nei globuli rossi l’assenza di mitocondri permette la sopravvivenza in

maniera totalmente anaerobica, quindi di ottenere energia da un substrato glucidico

tramite fermentazione.

Utilizzo dei carboidrati:

-​ muscolo cardiaco-scheletrico→ossidazione del glucosio, glicogenolisi

-​ tessuto adiposo e fegato→trasformazione del glucosio in Acetil CoA,

trasformazione del glucosio in glicogeno, rilascio del glucosio da parte del

fegato

-​ sistema nervoso→usa solo glucosio

-​ ghiandola mammaria→produce lattosio, assorbendo glucosio e galattosio

-​ globuli rossi→assenza di mitocondri per cui ossidano il glucosio a lattato, che

torna nel fegato per la gluconeogenesi

Vie di utilizzo del glucosio:

-​ deposito nel glicogeno

-​ ossidazione tramite la via dei pentosi fosfati per formare il ribosio 5-fosfato 1

-​ ossidazione tramite la glicolisi per formare il piruvato

-​ sintesi di polimeri strutturali ovvero i polisaccaridi della matrice extracellulare

Favismo→patologia comune in soggetti che consumano fave e che presentano una

mutazione genetica a livello dei geni che sintetizzano la glucosio-6-fosfato

deidrogenasi (sul cromosoma X). Le fave contengono delle molecole che quando

vengono metabolizzate generano acqua ossigenata, diventando agenti antiossidanti.

Questo aumento può indurre anche una crisi di anemia emolitica perché

danneggia i globuli rossi. Questi soggetti inoltre presentano una capacità ridotta di

produrre NADPH e hanno sempre scorte di glutatione modeste. Nel momento in cui

viene assunto un alimento che induce la formazione di radicali liberi il glutatione

deve entrare in azione, ma l’incapacità delle cellule di produrre NADPH fa sì che il

glutatione ossidato non possa essere rigenerato, per cui non si riesce a combattere lo

stress dei radicali liberi

Il glucosio viene utilizzato anche per produrre glicosaminoglicani (GAG), ovvero

eteropolisaccaridi, costituiti dalla ripetizione di due zuccheri con delle modifiche a

partire sempre dal glucosio. Poco glucosio determina una bassa capacità di produrre

una matrice extracellulare trofica che sostiene l'attività muscolare del tessuti,

l’attività di sostegno e il trofismo.

METABOLISMO DEI NEURONI

I neuroni presentano i mitocondri, eppure non possono utilizzare i grassi per

produrre energia perché è presente la barriera ematoencefalica, ovvero un sistema di

giunzioni che sussistono tra le cellule endoteliali dei vasi che trasportano nutrienti

verso il SNC. Questa non consente la diffusione di molecole con elevate dimensioni

ed elevato peso molecolare.

In caso di carenza di glucosio prolungata, per oltre 4 giorni, i grassi nel fegato

vengono convertiti in beta-chetoacidi, chiamati corpi chetonici, ovvero

acetoacetato e beta-idrossibutirrato, immessi nella circolazione extraepatica e

distribuiti ai tessuti dotati di mitocondri. Questo accade perché il fegato recepisce

l’assenza di glucosio e grazie al metabolismo dei corpi chetonici questi vengono

prodotti per essere inviati al SNC e produrre energia. Questo è un meccanismo che

consente di salvaguardare la funzionalità del SNC in assenza di glucosio.

Il neurone è obbligato ad utilizzare glucosio, essendo molto avido, e in un giorno

l’encefalo ne consuma 120-130 g.

METABOLISMO DEL TESSUTO ADIPOSO

Il tessuto adiposo assorbe glucosio tramite gli adipociti, in modo da sostenere il

metabolismo degli stessi. Queste sono molecole dinamiche che costituiscono il

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tessuto di riserva, ma presentano anche funzioni accessorie e di segnalazione

ormonale.

L’assorbimento del glucosio da parte degli adipociti è in parte funzionale per

produrre ATP e in parte viene utilizzato per sintetizzare glicerolo, che serve per

ancorare gli acidi grassi e depositarli all’interno di una gocciolina lipidica sotto forma

di trigliceridi. Dato che i grassi sono contenuti in un vacuolo lipidico che occupa il

citoplasma sotto forma di trigliceridi tutti gli altri grassi che arrivano dal sangue o

dal fegato devono essere assemblati con il glicerolo per essere depositati.

L’adipocita riesce a creare il glicogeno a partire dal glucosio nella fase post prandiale.

RUOLO DELL’INSULINA

Quando l’organismo assume glucosio, gli ormoni indirizzano il suo assorbimento in

tessuti specifici, soprattutto nel muscolo e nel fegato nella fase post-prandiale.

L’ingresso di glucosio nelle cellule dei tessuti avviene tramite diffusione. Esistono dei

trasportatori proteici, i GLUT che operano con un meccanismo di diffusione

facilitata l’ingresso del glucosio dal torrente ematico all’interno dei tessuti per

gradiente osmotico.

In caso di iperglicemia avviene la secrezione dell’insulina da parte delle cellule beta

del pancreas. L’insulina è un ormone che, soprattutto nel fegato e nel muscolo

scheletrico, ha il compito di attivare la glicogenosintesi. In particolare il suo recettore

(fosfatidil inositolo trifosfato) è in grado di attivare la glicogenosintesi, stimolando la

formazione di glicogeno, e inibendo la glicogenolisi. L’azione è antagonista rispetto a

quella del glucagone, che attiva la glicogenolisi e inibisce la glicogenosintesi.

L’insulina inoltre stimola anche la glicolisi, tramite l’aumento di reazioni glicolitiche,

per via dell’abbondanza di glucosio disponibile.

GLUTATIONE

Il glutatione è un tripeptide, un agente ossidante, formato da acido gamma

glutammico, cisteina e glicina. È una molecola in grado di ossidarsi, rilasciare

idrogeni ed elettroni per ridurre molecole radicaliche instabili, neutralizzandole.

Il glutatione libero viene identificato come GSH,

dato dalla sigla degli amminoacidi che lo

compongono. Per formare questa molecola è

necessario che l’acido glutammico si leghi alla

cisteina tramite il gruppo tiolico, ma i legami tra i

gruppi amminici della cisteina avvengono con il

gruppo carbossilico della catena laterale (gamma),

formando un legame gamma-peptidico. Quando due molecole di glutatione

libero si trovano vicine creano un ponte disolfuro, i gruppi tiolici si ossidano,

perdendo due elettroni e due idrogeni. In questo modo il glutatione ossidato si indica

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come GSSG. In questo caso i due elettroni e i due idrogeni liberati si legano tramite

un legame covalente e vanno a soddisfare la richiesta dei radicali liberi instabili,

bisognosi di elettroni. Il radicale viene poi neutralizzato senza danneggiare l’enzima

o il DNA.

Il glutatione ossidato non è tossico, ma lo è quando nella cellula diminuisce la ratio

tra glutatione ridotto e glutatione ossidato. La diminuzione del rapporto è segno

della diminuzione della capacità antiossidante della cellula, per cui si accumula una

grande quantità di glutatione ossidato, comportando una carenza di quello ridotto.

Per rigenerare il glutatione ridotto interviene l’enzima glutatione reduttasi, che

per ridurre il ponte disolfuro e rigenerare due molecole di GSH usa il NADPH. La

glutatione reduttasi lega il glutatione ossidato e interviene in NADPH che a sua volta

cede l’ossigeno e gli elettroni al glutatione ossidato che torna ad essere ridotto. Se si

introduce poco glucosio nella dieta, le cellule non riescono a produrre NADPH, per

cui in caso di necessità non è possibile ridurre il glutatione e si andrà incontro a

stress ossidativo.

ASSORBIMENTO DEL GLUCOSIO A LIVELLO INTESTINALE

Nel lume intestinale le amilasi scindono i polisaccaridi o i disaccaridi, tramite enzimi

ancorati ai microvilli, come isomaltasi, galattosidasi, disaccaridasi e amilasi

pancreatica o salivare. Durante la digestione c’è un pull di zuccheri in forma

saccaridica pronta per essere assorbita. L’ingresso degli zuccheri segue il gluco

trasporto sodio-dipendente, dove gli zuccheri entrano nell’enterocita guidati dal

rientro del sodio. Nella membrana cellulare è presente un sistema di trasporto attivo

noto come antiporto sodio-potassio, che espelle tre ioni sodio (Na⁺) all’esterno

della cellula e introduce due ioni potassio (K⁺) all’interno. Questo processo avviene

contro gradiente di concentrazione e richiede il consumo di ATP.

L’attività di questa pompa genera un gradiente elettrochimico: l’ambiente

extracellulare risulta più ricco di cariche positive, mentre l’interno della cellula è

relativamente più negativo. Di conseguenza, il sodio tende spontaneamente a

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rientrare nella cellula sia per il gradiente di concentrazione (è più concentrato

all’esterno) sia per il gradiente elettrico (attratto dalle cariche negative

intracellulari). La cellula utilizza energia per mantenere questo gradiente perché esso

rappresenta una riserva di energia potenziale. Il rientro del sodio lungo il suo

gradiente elettrochimico può infatti essere sfruttato da specifici trasportatori di

membrana per favorire l’ingresso di altre molecole, come il glucosio, che non

potrebbero attraversare autonomamente la membrana. In questo modo, il consumo

di ATP per espellere il sodio consente indirettamente un efficiente assorbimento di

nutrienti, come gli zuccheri, attraverso meccanismi di trasporto accoppiato.

Una volta che gli zuccheri sono entrati nell’enterocita passano dalla membrana

basolaterale ai capillari e poi vengono distribuiti ai tessuti. Sono presenti i

trasportatori GLUT, che sono tessuto-specifici e ne esistono circa 15 isoforme.

Queste sono proteine costituite da eliche transmembrana, con gruppi plasmatici

intracellulari. Sono parzialmente apolari e parzialmente polari, perché sulla parte

esterna del canale, a contatto con la membrana sono presenti residui amminoacidici

idrofobici, mentre la parte interna presenta amminoacidi idrofilici, che consentono il

passaggio delle molecole di zucchero.

Tipi di GLUT:

-​ GLUT 1→presenti ovunque

-​ GLUT 2→presenti in fegato, pancreas e intestino

-​ GLUT 3→presenti nei neuroni

-​ GLUT 4→presenti nei muscoli scheletrici, muscolo cardiaco e tessuto adiposo

-​ GLUT 5→esclusivamente per l’assorbimento del fruttosio

Il GLUT 4 è un GLUT inducibile, non espresso nelle fasi di digiuno ed espresso nelle

fasi post prandiali grazie all’insulina. Dopo i pasti quando aumenta

considerevolmente la glicemia, l’insulina segnala tra i tessuti la necessità di aprire

ulteriori canali per consentire l’ingresso del glucosio. Questo accade nel muscolo

cardiaco, che ha pochi depositi, nel tessuto adiposo, dove viene usato per formare il

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glicerolo, e nel muscolo scheletrico che incamera più glucosio rispetto agli altri

tessuti nella fase post-prandiale e che agisce come accumulo naturale di glucosio.

L’insulina si lega ai recettori dell’insulina muscolari e attraverso il meccanismo di

trasduzione muscolare, il GLUT 4, che normalmente si trova all’interno delle cellule

in vescicole del citoplasma, trasloca e apre il canale. Accade anche nel fegato dove

l’insulina aumenta il deposito del glucosio indipendemente dal GLUT 4, che è

assente, perché l’insulina stimola l'espressione della glucochinasi.

La regolazione insulino-dipendente del glucosio da parte del muscolo se non

funziona determina il diabete di tipo II, ovvero insulino-resistente. Quando un

oggetto sviluppa questo diabete, accade perché il segnale dell’insulina non viene

recepito dai recettori muscolari, per cui il sangue rimane iperglicemico lasciando il

muscolo senza glucosio.

DESTINI DEL GLUCOSIO

Il glucosio può essere metabolizzato sia in condizioni anaerobiche sia aerobiche. La

via anaerobica è molto rapida e consente alla cellula di sopravvivere anche in assenza

di ossigeno, ma permette di ricavare solo una piccola parte dell’energia totale del

glucosio (circa 2 ATP).

In entrambi i casi, il primo passaggio è la glicolisi, durante la quale il glucosio viene

convertito in piruvato con una produzione netta di 2 ATP e 2 NADH.

In presenza di ossigeno, il piruvato entra nei mitocondri, dove viene completamente

ossidato attraverso il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa, portando alla

produzione della maggior parte dell’energia, fino a circa 30–32 ATP per molecola di

glucosio. Questo processo è più lento ma molto più efficiente.

In assenza di ossigeno o di mitocondri funzionanti, il piruvato non può essere

ulteriormente ossidato e viene convertito in lattato (acido 2-idrossipropanoico)

grazie all’enzima lattato deidrogenasi. Questa reazione è fondamentale perché

consente la rigenerazione del NAD⁺, necessario per il proseguimento della glicolisi.

Il lattato prodotto può essere rilasciato nel sangue e trasportato al fegato, dove viene

riconvertito in glucosio attraverso la gluconeogenesi (ciclo di Cori).

Quando le cellule operano in condizioni anaerobiche, presentano alcuni limiti,

poiché la glicolisi porta alla produzione di piruvato, che non può essere

ulteriormente ossidato in assenza di ossigeno o di mitocondri funzionanti.

In queste condizioni, le cellule attivano la fermentazione lattica, che converte il

piruvato in lattato (acido 2-idrossipropanoico). Questa reazione avviene grazie

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all’enzima lattato deidrogenasi ed è NADH-dipendente. La sua funzione principale è

rigenerare NAD⁺, indispensabile per permettere la prosecuzione della glicolisi.

Il lattato, a differenza del piruvato, può essere facilmente trasportato nel sangue e

raggiungere il fegato. Qui viene riossidato a piruvato e utilizzato per la sintesi di

glucosio attraverso la gluconeogenesi (ciclo di Cori).

Il 90% del glucosio di neosintesi viene prodotto dal fegato, mentre la parte restante

viene prodotta dal rene che lo usa per se stesso, in modo da funzionare in situazioni

emergenziali per filtrare il sangue.

GLICOLISI

Via costituita da 10 reazioni enzimatiche che avvengono nel citoplasma. È una via a

tappe perché il prodotto di ogni reazione enzimatica diventa il substrato della

reazione successiva.

Fasi:

-​ investimento energetico→la cellula spende 2 ATP per destabilizzare il

glucosio, molecola molto stabile, perché altrimenti si avrebbero delle rese

molto basse. Il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato e infine scisso in

gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone fosfato

-​ recupero→si guadagnano 4 ATP, 2 NADH e 2 molecole di piruvato

REAZIONE 1

Il glucosio, grazie alla esochinasi, è in grado di trasferire un gruppo fosfato su un

esoso e viene convertito in glucosio-6-fosfato. Questa reazione richiede magnesio

poiché viene utilizzato ATP, ovvero un nucleotide trifosfato polianionico con cariche

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negative e instabile se preso da solo. Il magnesio si lega all’ATP e stabilizza la

reazione. La carenza di magnesio interferisce con le reazioni metaboliche e

determina anche una sintomatologia, come ad esempio i crampi.

Quando il glucosio entra nelle cellule viene subito fosforilato, infatti le reazioni

vengono definite di intrappolamento, perché trasformano il glucosio in una forma

anionica in modo da non farlo più uscire dalla cellula. Il compito è svolto dai GLUT

che fanno entrare ed uscire il glucosio secondo gradiente.

REAZIONE 2

Il glucosio-6-fosfato deve essere isomerizzato a fruttosio-6-fosfato, quindi bisogna

passare da una forma ciclizzata aldoesosa a una forma ciclizzata chetoesosa. Il

glucosio-6-fosfato si apre e forma una tautomeria, l’enzima fosfoglucosio

isomerasi lega la forma aperta e ossida il C2, ottenendo degli idrogeni che vanno ad

inserirsi sul C1. 8

REAZIONE 3

L’enzima fosfofruttochinasi-1 catalizza la reazione in modo da ottenere la

fruttosio-6-fosfato il fruttosio-1,6-bifosfato.

Insieme alla prima reazione costituisce la reazione di investimento energetico.

REAZIONE 4

L’enzima aldolasi consente di ottenere a partire dal fruttosio-1,6-bifosfato due

intermedi: il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato.

REAZIONE 5

Il diidrossiacetone fosfato, grazie all’enzima triosofosfato isomerasi, viene

convertito in gliceraldeide-3-fosfato. Il diidrossiacetone fosfato si lega al sito attivo

della trioso-fosfato-isomerasi, su cui sono presenti un acido glutammico e l’istidina.

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Questo favorisce un meccanismo di scambio acido-base tra il substrato e gli

amminoacidi che porta alla formazione di un intermedio enolico. Se uno di questi

amminoacidi è mutato, la reazione non può avvenire.

Si ottengono in totale 2 molecole di gliceraldeide-3-fosfato.

REAZIONE 6

Prima reazione di recupero energetico.

La gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi ossida il carbonio (C1) aldeidico della

g