Biochimica sistematica umana

Biochimica sistematica umana

Il cibo fornisce all’organismo le sorgenti di energia e i materiali per la costruzione o il rinnovo delle strutture del corpo. Gli alimenti entrano nel tratto gastro-intestinale che, con fegato e pancreas, è responsabile del processo di digestione ed assorbimento. La digestione è la degradazione dei nutrienti in composti semplici, tali da poter essere successivamente assorbiti dall’intestino, è regolata dal sistema nervoso, da ormoni e da vari fattori paracrini. L’assorbimento è il processo d’internalizzazione dei componenti digeriti da parte delle cellule intestinali.

Classi di macromolecole

Le principali classi di macromolecole contenute nel cibo sono:

• Carboidrati
• Lipidi
• Proteine

Modalità di assorbimento

L’assorbimento dei nutrienti digeriti avviene con modalità diverse:

• I prodotti della digestione dei lipidi formano micelle che entrano negli enterociti per diffusione semplice.
• Gli amminoacidi, il glucosio e il galattosio, per varcare la membrana degli enterociti, richiedono un trasporto attivo da parte di carrier proteici con consumo di energia.
• Gli altri monosaccaridi utilizzano carrier proteici senza consumo di energia (diffusione facilitata).

Enzimi digestivi

La maggior parte degli enzimi digestivi è secreta in forma inattiva, con eccezione dell’amilasi salivare e della lipasi linguale. Le forme inattive vengono definite zimogeni, attivati solo a livello del lume intestinale e possono attivare i propri precursori, la cui attivazione può avvenire per modifica del pH o azione di enteropeptidasi specifiche legate alla membrana della mucosa del duodeno.

Carboidrati

I carboidrati della dieta sono introdotti sotto forma di:

• Monosaccaridi: zuccheri semplici, in base al numero di atomi di carbonio (3,4,5,6) si definiscono trioso, tetroso, pentoso o esoso. Esempi di monosaccaridi sono il glucosio, il fruttosio e il galattosio.
• Disaccaridi: 2 unità monosaccaridiche legate covalentemente. Esempi: saccarosio e lattosio.
• Oligosaccaridi: alcune unità monosaccaridiche legate covalentemente.
• Polisaccaridi: polimeri che consistono in catene di unità monosaccaridiche o disaccaridiche. Esempi: vegetali (amido) e animali (glicogeno).

Questi non richiedono di essere digeriti ulteriormente prima di essere assorbiti nel tratto gastro-intestinale. Si chiamano carboidrati poiché hanno formule brute che possono essere espresse come idrati di carbonio, sono caratterizzati dall’avere diverse funzioni ossigenate (funzioni alcoliche e carboniliche) e sono chiamati anche zuccheri o saccaridi.

Monosaccaridi

I monosaccaridi più comuni hanno n atomi di C, un gruppo carbonilico e n-1 gruppi alcolici dove n va da 3 a 9. Quando è presente un gruppo aldeidico sono detti aldosi (glucosio) e quando è presente un gruppo chetonico sono detti chetosi (fruttosio). I più importanti sono gli aldopentosi a 5 atomi di C, gli aldoesosi a 6 atomi di C ed i chetoesosi.

Proprietà fisiche

• Hanno molti gruppi OH, sono quindi molecole polari.
• Sono solidi cristallini con bassissima volatilità.
• Sono solubili in acqua e insolubili in solventi organici poco polari (etere etilico, acetato di etile).
• Sono dolci, ma non tutti e non tutti allo stesso modo.

Ossidazione del glucosio

L’ossidazione del glucosio ad H₂O e CO₂ libera 2840 kJ/mole. La glicolisi è il primo stadio della degradazione del glucosio, essa ha inizio con una fase di investimento energetico, durante la quale 2 ATP sono usati per attivare il glucosio, una molecola C6 che si separa in due molecole C3 (gliceraldeide-3-fosfato). Ad essa segue la fase di produzione energetica, durante la quale vengono sintetizzate quattro molecole di ATP.

L’ATP è una molecola antica ed universale sintetizzata da tutti gli organismi viventi come fonte energetica per compiere il lavoro cellulare, in quanto fornisce l’energia necessaria per far avvenire le reazioni endoergoniche attraverso il trasferimento del gruppo fosfato. ATP + H₂O → ADP + Pi + H⁺: L’idrolisi dell’ATP elimina la repulsione elettrostatica tra le 4 cariche negative.

Fasi della glicolisi

• Il consumo di 2 molecole di ATP.
• La produzione di 4 molecole di ATP.
• Un guadagno netto di 2 molecole di ATP.
• La produzione di 2 molecole di NADH.

Prima del ciclo di Krebs è necessaria una reazione preparatoria, grazie alla quale il piruvato (molecola C3) è convertito in un gruppo acetilico, l’acetil CoA (molecola C2), mentre si libera CO₂. Si tratta di un’ossidazione in cui gli atomi di idrogeno vengono rimossi dal piruvato e vanno a ridurre il NAD⁺ in NADH.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è il secondo stadio della degradazione del glucosio e comporta l’ossidazione finale dei prodotti del glucosio. Esso ha inizio quando due molecole di acetil CoA entrano nella matrice mitocondriale. Ad ogni ciclo viene prodotta una molecola di ATP, NADH, FADH₂ e viene liberata CO₂. L’ossidazione completa di una molecola di glucosio produce 36-38 ATP:

• 2 dalla glicolisi
• 2 dal ciclo di Krebs
• 32-34 prodotti lungo i passaggi della catena di trasporto degli elettroni

Catena di trasporto degli elettroni

Molti dei trasportatori della catena sono molecole chiamate citocromi. Quando gli elettroni vengono trasferiti da un trasportatore al successivo, l’energia liberata viene usata per formare ATP. L’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni in uscita dalla catena di trasporto: esso riceve gli elettroni a bassa energia e si combina con gli ioni idrogeno formando acqua.

Fermentazione

La fermentazione è una via metabolica alternativa, utilizzabile quando la cellula è in carenza di ossigeno. Nelle cellule animali il piruvato in arrivo dalla glicolisi accetta due atomi di idrogeno riducendosi a lattato, perciò si parla di fermentazione lattica; altri organismi producono invece alcol etilico e liberano CO₂ attraverso la fermentazione alcolica. La fermentazione produce solo 2 ATP attraverso la sintesi a livello del substrato, ma fornisce energia in modo rapidissimo per attività di breve durata. La fermentazione alcolica sfrutta i lieviti che fermentano, alcuni batteri invece svolgono la fermentazione acetica e lattica.

Amido

L’amido è un polimero del glucosio ad alto peso molecolare, è l’unione di due diversi polimeri: l’amilosio e l’amilopectina, entrambi formati dal glucosio. Amilosio è lineare e il legame tra molecole di glucosio viene chiamato alfa-1,4 glicosidico. Amilopectina è un polimero ramificato ed ha legame alfa-1,6 glicosidico. L’amido si forma a partire dal glucosio a sua volta sintetizzato dalle piante verdi con la fotosintesi clorofilliana secondo la reazione: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Tutti i carboidrati devono essere idrolizzati a monosaccaridi per essere assorbiti. Dopo l’assorbimento verranno inviati al fegato tramite la vena porta. La digestione dei polisaccaridi della dieta inizia nella bocca ad opera della amilasi salivare o ptialina, questo enzima rompe in modo specifico i legami alfa-1,4. La maggior parte della digestione dell’amido viene effettuata dall’amilasi pancreatica e dagli enzimi presenti sull’orletto a spazzola intestinale.

Prodotti dell'amilasi intestinale

• Maltosio
• Maltotrioso
• Saccaridi a catena ramificata (alfa destrina limite)

Maltosio e maltotrioso sono attaccati rispettivamente da maltasi e isomaltasi, che danno origine a molecole di glucosio. Il saccarosio e il lattosio sono digeriti da saccarasi e lattasi e gli altri residui della digestione dell’amido vengono attaccati da altri enzimi presenti sull’orletto a spazzola intestinale. Il deficit più comune di disaccarasi è quello della lattasi che provoca l’intolleranza al lattosio.

Digestione dei carboidrati della dieta

Gli zuccheri semplici vengono assorbiti dalle cellule epiteliali della mucosa intestinale e quindi passano nel sangue, ma devono attraversare due barriere dell’enterocita: quella luminale e quella basolaterale. I sistemi di trasporto includono la diffusione semplice, la diffusione facilitata e il trasporto attivo. Sono stati identificati due gruppi di trasportatori di esosi:

• Trasportatori che operano secondo gradiente di concentrazione (GLUT1,2,3,4 e 5)
• Trasportatori che operano contro gradiente, utilizzando l’energia messa a disposizione dal gradiente elettrochimico del sodio mantenuto ad opera della pompa sodio/potassio (SGLUT1)

Nell’uomo, a livello luminale, sono trasportati attivamente il D-glucosio e il D-galattosio in cotrasporto con il sodio; è trasportato invece per diffusione facilitata il D-fruttosio utilizzando il GLUT5. Il glucosio immesso nel circolo sanguigno viene trasportato dalla vena porta al fegato, il quale è in grado di accumularlo sotto forma di glicogeno che è un polisaccaride di riserva. La sintesi del glicogeno avviene mediante aggiunta di un complesso tra glucosio e Uridindifosfato. La degradazione del glicogeno è rapida e avviene agli estremi non riducenti delle ramificazioni. Attraverso l’enzima glicogeno fosforilasi, vengono rimosse sequenzialmente le unità di glucosio poste ad una delle estremità libere del glicogeno mediante fosforolisi. Il glucosio può uscire dalla cellula epatica, essere riversato nel sangue ed essere utilizzato da altri organi. Nel muscolo, il glicogeno è essenzialmente una riserva di energia, che può essere utilizzata solo dalla cellula in cui si trova. Nel fegato il glicogeno è prevalentemente una riserva di unità di glucosio che possono essere utilizzate da altri organi, il fegato ha perciò la funzione di controllare la glicemia, funzione mancante negli altri organi.

Glicemia

La concentrazione del glucosio nel sangue è una variabile omeostatica: l'organismo tende a mantenere...