22 Regolazione integrata del metabolismo glicidico e lipidico

Regolazione integrata del metabolismo dei carboidrati e dei grassi

I metabolismi di carboidrati e lipidi comprendono sia reazioni cataboliche che anaboliche (percorsi energetici e non energetici) e lavorano in maniera coordinata fra loro => anche la regolazione deve essere coordinata per utilizzare componenti lipidici e glucidici e produrre E.

All'organismo infatti serve E per coprire le necessità tissutali, E che deve essere in equilibrio con la disponibilità di substrati energetici necessari per produrla. Affinché si mantenga questo equilibrio e non vi sia un eccesso di substrati rispetto alle necessità nutrienti e viceversa, è necessario che all'interno dell'organismo siano mantenuti adeguati i livelli dei substrati nel sangue, ormoni e SN che sia mantenuto adeguato il livello di specifici stimoli e che anche il SN produca segnali che possano mantenere questo equilibrio.

I segnali neuronali vanno ad influenzare i processi che promuovono la liberazione dei substrati energetici dalla dieta (andando a regolare senso della fame e sazietà e i processi di digestione), la mobilizzazione e deposizione dei substrati E in modo che questi possano essere resi disponibili quando necessari perché non provvisti dalla dieta, la produzione di E utilizzando i substrati energetici provenienti dalla dieta (se si è in uno stato post-prandiale) o dalla mobilizzazione dei depositi (se si è in uno stato di digiuno).

Omeostasi metabolica e segnali che regolano il metabolismo energetico

Ormoni anabolici

Insulina.

Ormoni controregolatori

Glucagone, cortisolo.

Oltre ai segnali neuronali, e di maggior importanza nel controllo della mobilizzazione, deposizione ed utilizzo dei substrati energetici, intervengono gli ormoni: diverse vie metaboliche sono regolate dai livelli di insulina, glucagone, cortisolo, a cui si aggiunge poi adrenalina (il suo rilascio non dipende però dai livelli di glucosio, ma dipende da stimoli di stress).

Albumina.

• Insulina: ormone ipoglicemizzante e anabolico, in quanto stimola quei processi che portano alla sintesi di molecole più complesse di deposito E.
• Glucagone e cortisolo: ormoni iperglicemizzanti (tendono ad aumentare i livelli di glucosio nel sangue) => controregolatori.

Insulina

Secreta dalle cellule β del pancreas, entra in circolo e va ad agire su alcuni tessuti che principalmente e maggiormente rispondono ad un aumento dei suoi livelli:

1. Delle cellule epatiche (fegato), dove stimola l'assunzione di glu (stato post-prandiale, quando la glicemia è alta), la glicolisi (sebbene il fegato utilizzi preferenzialmente gli ac. grassi), la glicogenosintesi (deposizione dell'eccesso di glu), la sintesi di ac. grassi e TG (lipogenesi); di contro inibisce la glicogenolisi e l'ox degli ac. grassi.

Effettua questi processi andando ad ATTIVARE/INIBIRE SPECIFICI ENZIMI REGOLATORI DELLE DIVERSE VIE METABOLICHE.

L'attivazione/inibizione avviene tramite cicli di fosforilazione/defosforilazione o mediante induzione/repressione genica degli enzimi stessi.

2. Del tessuto adiposo, dove promuove l'assunzione del glu, la sintesi di ac. grassi e TG (lipogenosintesi). Lo fa attivando i trasportatori GLUT4 e la lipoprotein lipasi presente sull'epitelio.
3. Delle cellule muscolari, dove aumenta l'assunzione di glu, il processo glicolitico (anche se anche il muscolo utilizza ac. grassi), la glicogenosintesi; inibisce glicogenosintesi e ox degli ac. grassi.

Questo avviene ATTIVANDO/INIBENDO ENZIMI e andando ad attivare il trasportatore GLUT4 che aumenta l'assunzione di glu.

NB: in questi 3 tessuti l'insulina promuove l'assunzione di glucosio, ma lo fa in modi diversi: nel caso del t. adiposo e del muscolo lo fa aumentando il n° di trasportatori GLUT4 sulla membrana; mentre nel fegato è presente l'enzima glucochinasi, inducibile, che fosforila il glu in modo che altro glu possa entrare secondo gradiente.

Inoltre l'insulina attiva direttamente la sintesi degli ac. grassi perché attiva gli enzimi coinvolti, e inibisce l'ox degli ac. grassi perché, aumentando l'attività dell'AcetilCoA carbossilasi, aumenta il malonilCoA che va ad inibire la carnitina-palmitoilCoA sintetasi in modo tale che gli ac. grassi non possano entrare nel mitocondrio per essere ossidati.

Albumina trasportatore di acidi grassi liberi. GR, cervello.

L'insulina non ha azioni particolari su GR e cervello dal momento che questi utilizzano glu, ma l'entrata avviene semplicemente mediante un trasportatore dipendente dal gradiente e il glu che entra viene utilizzato immediatamente => qui non serve una regolazione dei vari processi metabolici.

Azione dell’insulina sul metabolismo energetico

• Glucochinasi.
• PFK-2.
• PFK-1.
• Piruvato deidrogenasi.
• Glicogeno sintasi.
• AcetilCoA carbossilasi.
• Assunzione di glucosio.
• Glicolisi.
• Glicogeno fosforilasi.
• Glicogenosintesi.
• Sintesi di acidi grassi e trigliceridi.
• Glicogenolisi.
• Ossidazione acidi grassi.
• Assunzione di glucosio.
• Sintesi di acidi grassi e trigliceridi.
• Trasportatori GLUT4.
• Trasportatori GLUT4.
• Assunzione di glucosio.
• PFK-2.
• PFK-1.
• Lipoprotein lipasi.
• Glicolisi.
• Piruvato deidrogenasi.
• Glicogenosintesi.
• Glicogeno sintasi.
• Glicogenolisi.
• Ossidazione acidi grassi.
• Glicogeno fosforilasi.

Insulina: struttura

Cos'è l'insulina? Come viene rilasciata e come agisce per evocare una risposta differente nei vari tessuti?

L'insulina è un ormone proteico che nella sua forma matura è costituito da 2 catene polipeptidiche: A di 21 aa e B di 30 aa. È una proteina molto compatta con struttura globulare grazie sia alla formazione di ponti S-S tra residui di cisteina presenti all'interno della catena stessa o fra le 2 catene (inter- ed intra-catena), che alla presenza di leg H.

Può esser presente in forma polimerica, si pensa che quella rilasciata sia esamerica, in cui le 6 molecole di insulina sono legate fra loro da atomi di Zn. L'insulina è però attiva quella in forma monomerica => viene sintetizzata e rilasciata in forma esamerica ma quando deve agire sul recettore l'esamero si deve dissociare.

L'insulina non viene però sintetizzata in forma matura formata da 2 catene polipeptidiche, ma come precursore immaturo = pre-pro insulina: esiste un gene che codifica per una proteina di più di 100 aa che verrà quindi sottoposta a scissioni proteolitiche (processo di attivazione proteolitica) che prevedono:

• Dapprima la scissione dei primi 23 aa dalla parte N-terminale (rimozione del "peptide leader") a produrre pro insulina.
• Questa subisce un'azione endopeptidasica ad opera di endopeptidasi che tagliano la catena a livello dei legami peptidici tra Lys-Arg e Arg-Arg, in modo tale da liberare la catena A e la B che rimangono unite tra loro tramite i ponti disolfuro, e il "peptide C" di 30 aa.
• Solo dopo questo corretto processamento si avrà la produzione di insulina matura, pronta per agire.

Biosintesi di insulina

Biosintesi dell’insulina

Reazione catalizzata dalla lecitina-colesterolo acil-transferasi (LCAT).

Le varie modificazioni che portano alla sintesi di insulina coinvolgono diversi distretti ed organuli cellulari:

1. Inizialmente, a livello nucleare, si ha la trascrizione del gene codificante per la pre-pro insulina.
2. Dopo corretta maturazione del trascritto, l'mRNA passa nel citoplasma, dove viene riconosciuto da ribosomi non liberi nel citoplasma ma legati al RER, in modo tale che questi possano tradurlo in proteina. Quando questi hanno sintetizzato la porzione N-terminale, la proteina, attraverso la porzione leader, viene internalizzata all'interno del lume del reticolo (il peptide leader contiene il segnale molecolare che consente all'insulina che si sta sintetizzando a livello citosolico di essere internalizzata).
3. All'interno del RER i ribosomi completano la sintesi della proteina utilizzando l'mRNA. Qui viene anche rimossa, per azione di una proteasi specifica, la porzione leader di 23 aa (che avevano consentito alla proteina di essere trasferita dal citoplasma al RER) => resta la pro insulina.
4. Questa viene trasferita, mediante vescicole, all'apparato di Golgi, dove si ha la formazione dei ponti S-S inter- ed intracatena in modo tale che poi le catene A e B possano essere assemblate correttamente fra loro. Dal Golgi fuoriescono poi vescicole contenenti la pro-insulina.
5. All'interno delle vescicole che maturano dal Golgi si ha la scissione proteolitica a livello di quei residui specifici, in modo tale che si formi insulina matura e peptide C.
6. Successivamente queste vescicole possono fondersi con la m. plasmatica delle cellule β del pancreas ed espellere per esocitosi entrambe le molecole (la quantità di peptide C espulsa equivale a quella di insulina e la misura del peptide C viene infatti usata a scopo diagnostico per misurare i livelli di insulina –> equimolarità).
7. Attraversando gli spazi interstiziali l'insulina passa nel circolo sanguigno e viene trasportata nei diversi tessuti bersaglio.

Eventi che stimolano le cellule del pancreas a rilasciare insulina

• Si è notato che il rilascio di insulina nel tempo raggiunge il suo picco max in coincidenza con il picco max di glu che si rileva in un individuo dopo che l'ha assunto => sono i livelli di glu ematici che attivano il rilascio di insulina.
• È stato visto poi che ad elevati livelli di insulina corrispondono bassi livelli di glucagone => se le cellule β rilasciano insulina, il glucagone non viene rilasciato (livelli bassissimi).
• Il rilascio di insulina si è visto che può essere indotto anche da segnali neurali che hanno origine dalla presenza di cibo nello stomaco, dalla presenza di ormoni gastro-intestinali (secretina e gastrina in particolare) e dalla presenza di eventuali aa presenti nel sangue (Argininina in particolare); in genere questi derivano dalla digestione delle proteine alimentari.
• Di contro il rilascio di insulina è inibito dall'adrenalina, rilasciata in condizioni di stress.

NB:

• L'insulina prodotta viene portata al fegato e nell'epatocita viene in parte degradata => solo una quota di quella prodotta entra in circolo.

Come avviene il rilascio?

Come fa il glucosio a promuoverne il rilascio?

Il glucosio attraversa la membrana attraverso dei trasportatori dipendenti dal gradiente di concentrazione => elevati livelli di glu a livello ematico fanno sì che entri nelle cellule β del pancreas che, come l'epatocita, dispongono della glucochinasi => anche qui il glu che entra viene subito fosforilato con una buona efficienza e può continuamente entrare.

Metabolismo dei lipidi nelle lipoproteine: quadro riassuntivo

• Il glucosio, una volta nelle cellule pancreatiche, viene sottoposto al processo di glicolisi, che porta alla produzione di piruvato, che viene convertito in acetilCoA che va ad incrementare il CICLO del TCA, che produce NADH e FADH2 e che vengono ossidati nella catena respiratoria e quindi, in associazione con l'ATP-sintasi, portano ad un aumento dei livelli di ATP nelle cellule β del pancreas.
• Questi livelli di ATP vanno a chiudere i canali del K+ che, non potendo più uscire dalla cellula, causano depolarizzazione della membrana.
• Questa promuove l'apertura dei canali del Ca voltaggio-dipendenti => entra Ca ed aumentano i suoi livelli intracell, che favoriscono il processo esocitotico => permettono la fusione delle vescicole contenenti insulina e peptide C con la m. plasmatica e consentono quindi la fuoriuscita di insulina dal pancreas. L'insulina infatti, non è sintetizzata ex novo su stimolo, ma è già contenuta all'interno delle vescicole in modo tale che il segnale di aumento di glu nel sangue possa promuovere l'esocitosi => RILASCIO IMMEDIATO QUANDO SI ALZA LA GLICEMIA; solo successivamente si stimola anche la sua nuova sintesi.

NB: il glu-6P se si forma in eccesso nelle cellule del pancreas e quindi la quantità di insulina rilasciata fosse già sufficiente, può essere rimesso in circolo in quanto le cellule β non hanno solo la glucochinasi, ma anche la glucosio-6 fosfatasi: può defosforilarlo quando non serve per fare glicolisi per stimolare il rilascio di insulina e viene rimesso in circolo.

Vie di segnalazione dell'insulina

L'insulina immessa in circolo deve attivare ad hoc i vari processi metabolici a livello dei tessuti bersaglio. Essendo una proteina è idrosolubile e non dispone di traslocatori che le permettono di entrare nelle cellule => deve attivare la risposta cellulare attraverso l'interazione con recettori localizzati sulla superficie delle cellule bersaglio (recettori di membrana).

Questi appartengono alla classe dei recettori con attività tirosino-chinasica intrinseca: sono proteine di membrana che, quando legati dal ligando, si attivano attivando all'interno della cellula un'attività chinasica che fosforila su residui di tirosina.

Questo recettore può innanzitutto legare insulina solo se si trova in forma dimerica, ovvero se 2 subunità α e 2 β si legano fra loro: l'interazione con il ligando deve avere questa fase di dimerizzazione.

• Le 2 subunità α sono esposte nel lato extracellulare della membrana e contengono il dominio di legame per l'ormone => legano l'insulina.
• Le 2 subunità β invece contengono la porzione ad elica idrofobica che si inserisce nelle membrane ed hanno un do