3 - Metabolismo glucidico epatico

Metabolismo glucidico

La funzione più importante svolta dal fegato è il mantenimento dell'omeostasi glucidica. Il glucosio è indispensabile per molti tessuti ed in particolare per i globuli rossi, che traggono energia esclusivamente dal glucosio mediante glicolisi anaerobica, per il cervello, che utilizza prevalentemente glucosio per il suo metabolismo energetico (in certe situazioni può utilizzare i corpi chetonici) e per la midollare del rene e del surrene. Il nostro organismo necessita di 200 g di glucosio/die, di questi l'80% è utilizzato dal cervello e dai globuli rossi, la restante parte è utilizzata dagli altri tessuti. In condizioni normali la glicemia è 5 mM che corrisponde a 0,9 g/L di sangue = 90 mg/dL.

Condizioni iperglicemiche

Dopo un pasto ricco in carboidrati nel sangue portale si registra una glicemia di 10-40 mM. Il sangue portale arriva al fegato e fuoriesce con una glicemia di 7 mM (120-130 mg/dL).

Come fa il fegato a ridurre la glicemia?

• Immagazzinamento di glucosio in forma di glicogeno
• Utilizzo del glucosio in glicolisi
• Sintesi degli acidi grassi - quando il fegato esaurisce la capacità di immagazzinare glicogeno, il glucosio che rimane in eccesso prende la via della glicolisi. Il piruvato prodotto entra nei mitocondri per essere convertito in Acetil-CoA che con l'ossalacetato forma il citrato. Se il citrato che si forma è in eccesso, questo esce nel citosol dove viene scisso nuovamente in Acetil-CoA + ossalacetato. L'Acetil-CoA citosolico viene quindi utilizzato per la biosintesi degli acidi grassi. Gli acidi grassi che si formano reagiscono con il glicerolo-3P a formare i trigliceridi. I trigliceridi neoformati si impacchettano nelle VLDL per entrare in circolo e raggiungere il tessuto adiposo.
• Shunt - fornisce NADPH necessario per la biosintesi riduttiva degli acidi grassi ed inoltre cofattore indispensabile nei processi di detossificazione.

Cosa succede se la glicemia rimane elevata?

• Glicazione delle proteine, in laboratorio si misurano i livelli di Hb-glicata; la glicazione dell'Hb ne altera la capacità di legare e rilasciare ossigeno.
• Sorbitolo (= glucosio ridotto) che prende la via dei polioli e può dare problemi di cataratte.
• Aumento della viscosità del sangue, comporta danno all'endotelio vascolare che può portare alla formazione di trombi.

Condizioni ipoglicemiche

In condizioni di digiuno il fegato per ripristinare la glicemia degrada il glicogeno in monomeri di Gluc-1P quindi in Gluc che può andare in circolo per ripristinare la glicemia. Durante il digiuno prolungato si assiste ad una deplezione delle riserve di glicogeno, ed i livelli glicemici sono mantenuti a valori normali dalla gluconeogenesi, il fegato utilizza cioè molecole non saccaridiche come alanina e lattato (da eritrociti) per sintetizzare glucosio. La gluconeogenesi è un processo che richiede energia (sono richieste 6 molecole di ATP per la sintesi di una molecola di glucosio a partire da due di piruvato) fornita dall'ossidazione degli acidi grassi.

Assorbimento dei carboidrati della dieta

I carboidrati vengono assunti prevalentemente sotto forma di amido (pane, pasta, patate ecc), dal lattosio e dalla frutta. L'amido è un omopolisaccaride del glucosio formato da due polimeri: amilosio e amilopectina. L'amilosio ha una struttura lineare ed è costituito da monomeri di glucosio uniti da legami 1-1,4-glicosidici. L'amilopectina presenta invece dei punti di ramificazione in cui i monomeri di glucosio sono uniti mediante legami 1-6-glicosidici. La digestione dell'amido inizia nella bocca ad opera delle amilasi salivari che iniziano a rompere il polisaccaride. L'attività dell'amilasi salivare viene interrotta nello stomaco per via del pH gastrico. La digestione dell'amido continua nell'intestino ad opera delle amilasi pancreatiche che scindono l'amido in oligosaccaridi che continuano ad essere degradati. Le amilasi non riescono a lisare il legame 1-6 glicosidico e nei punti di ramificazione si formano le destrine. Per la degradazione di questi residui contenenti i legami 1-6 intervengono le glucosidasi presenti sui villi intestinali. Alla fine del processo di digestione, da un polimero di glucosio, ottengo unità di glucosio che entrano nell'enterocita e, tramite la vena porta raggiungono il fegato.

Trasporto di glucosio nell'enterocita

Il glucosio è una molecola idrofilica e necessita pertanto di un trasportatore per attraversare la membrana cellulare. Glucosio e Galattosio entrano nell'enterocita attraverso un sistema di trasporto accoppiato al Na+ (SGLT1) il sistema funziona anche contro gradiente ed è un trasporto attivo secondario in quanto il sodio uscirà dalla cellula per azione della pompa Na+/K+. Il Glucosio abbandona l'enterocita dal lato apicale attraverso il trasportatore Glut-2 per diffusione facilitata quindi secondo gradiente di concentrazione. In realtà Glut-2 non è presente solo nella regione basale ma anche nella regione apicale dell'enterocita; il trasportatore Glut-2 può infatti traslocare a livello della regione apicale in seguito ad un pasto ricco di carboidrati, al fine di aiutare il trasportatore sodio-dipendente ad internalizzare glucosio. La quantità di Glut-2 espressa sulla superficie dell'enterocita sembrerebbe insulino-dipendente (analogamente a quanto accade per Glut-4). Il fruttosio (derivato dal saccarosio introdotto con la dieta) entra negli enterociti tramite diffusione facilitata mediante Glut-5 ed esce dall'enterocita per entrare nella circolazione portale sempre mediante il Glu-5 presente sul lato contra-luminale.

Trasportatori GLUT

Sono noti almeno 12 trasportatori Glut, di molti la funzione non è ancora nota mentre 5 sono stati ben studiati ed approfonditi.

La barriera ematoencefalica e placentare è un epitelio con cellule saldamente adese tra di loro mediante giunzioni strette, molto selettive, consentono il passaggio solo a determinate molecole. Ad una [Gluc] di 20 mM i trasportatori GLUT-2 sono saturi per metà ricordiamo che nel periodo post-prandiale nella vena porta la [Gluc] è di 40 mM, quindi in fegato, enterociti e pancreas più glucosio ho e più glucosio entra. La Kt molto alta consente ai trasportatori di essere sempre disponibili e non saturi in modo da monitorare in ogni momento la glicemia in circolo; se avessero una Kt bassa entrerebbe sempre la stessa quantità di glucosio nella cellula a prescindere dalla concentrazione di glucosio ematica. I trasportatori di glucosio su eritrociti e neuroni lavorano con una bassa Kt, in questo modo i trasportatori si saturano anche in condizioni ipoglicemiche. L'insulina si lega ai recettori attivando un signaling che attiva la pkB, il risultato finale è l'esocitosi delle vescicole contenenti GLUT-4 nei tessuti insulino-dip. Quando siamo in condizioni normoglicemiche (5 mM) muscolo e tessuto adiposo hanno saturato la metà dei loro trasportatori. Nel muscolo e nel tessuto adiposo i trasportatori si saturano solo quando la [Glc] è maggiore della concentrazione fisiologica. Il tessuto muscolare utilizza il glucosio per ripristinare le riserve di glicogeno. Nel tessuto adiposo il glucosio è indirizzato verso la glicolisi per ottenere diidrossiacetone-P che viene convertito in glicerolo-3P mediante l'enzima glicerolo-3P-DH. Il tessuto adiposo non è infatti in grado di fosforilare il glicerolo perché manca della trioso-fosforilasi. Il glicerolo3P nel tessuto adiposo viene utilizzato per la biosintesi degli acidi grassi. Quindi quando è disponibile molto glucosio in circolo il tessuto adiposo lo utilizza per fare liponeogenesi analogamente a quanto accade nel fegato.

Metabolismo epatico del fruttosio

Fonti di fruttosio

Il Fruttosio è un chetoesoso che assumiamo mediante l'ingestione di frutta (che contiene saccarosio, scisso dalla saccarasi intestinale), miele e che produciamo nei tessuti oculari e negli spermatozoi a partire dal glucosio tramite la via dei polioli (composti poli-idrossilati).

Via dei Polioli

• Nei soggetti diabetici non trattati il Glucosio in eccesso prende la via dei polioli e tramite l'aldoso-reduttasi (NADPH donatore di elettroni) riduce il C1 a conformazione di Sorbitolo.
• Sul sorbitolo può agire la sorbitoloDH che inserisce una funzione aldeidica sul C2 (ossidazione) per formare Fruttosio.

Tramite questa via otteniamo quindi fruttosio a partire dal glucosio, l'organismo infatti non dispone di una isomerasi capace di catalizzare questa conversione in maniera diretta, abbiamo solo l'isomerasi G6P→F6P. La via dei polioli è importante anche per gli spermatozoi nei quali il fruttosio è importante per la formazione dell'acrosoma. Il sorbitolo, intermedio della via, è un poliolo molto attivo osmoticamente, che richiama H₂O nell'occhio. Ne consegue un aumento della pressione intra-oculare e, nei casi più gravi, formazione di cataratte dovute alla glicazione di proteine che rendono opaco il cristallino. L'aldoso-reduttasi oltre al glucosio, riduce anche il galattosio in galattitolo, anch'esso poliolo attivo osmoticamente. Un'altra via attraverso la quale possiamo introdurre Fruttosio è l'HFCS (High Fructose Corn Syrup). Lo sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio è un dolcificante prodotto negli USA a partire dagli anni '70 con un basso costo e molto dolce. Contiene 50% di Glucosio e 50% di Fruttosio. Il fruttosio viene ottenuto dal glucosio mediante tecniche cromatografiche nelle quali si immobilizza su colonna l'enzima invertasi o glucosio-isomerasi ricombinanti. Il processo di produzione parte dall'amido di mais che viene addizionato all'acqua per ottenere un latte d'amido che appare opaco (40% di amido). A questo latte d'amido viene messo all'interno di fermentatori a pH acido al cui interno è presente l'α-amilasi di un bacillo termofilo (l'enzima lavora fino a 100°) che taglia i legami α1-4. Al termine di questa procedura di 'liquefazione' ottengono destrine e destrine critiche contenenti i punti di ramificazione con i legami α1-6. Per ottenere i monomeri di glucosio vengono quindi aggiunti altri due enzimi batterici: la gluco-amilasi che rompe sia i legami α1-4 che i legami α1-6, e la pullulanasi che degrada solo i legami α1-6. Abbiamo quindi ottenuto uno sciroppo al 95,5% di Gluc che viene sottoposto ad una cromatografia con immobilizzato in colonna un altro enzima batterico, la gluco-isomerasi. Al termine della cromatografia otteniamo uno sciroppo al 42% di fruttosio (ottima miscela per i dolci ma non per le bevande). Per aumentare la % di Fruttosio lo sciroppo viene sottoposto ad un'ulteriore cromatografia a scambio ionico, la cui fase fissa sarà in grado di trattenere le sole molecole di Fruttosio. Alla fine di questa fase otteniamo uno sciroppo al 90% che potrà essere miscelato con lo sciroppo al 42% di Fruttosio per ottenere l'HFCS.

Caratteristiche del Fruttosio

• Ha un buon indice glicemico (viene assorbito lentamente lo zucchero in circolo) - a parità di quantità ingerita il glucosio fa alzare la glicemia del 147% mentre il fruttosio solo del 27%.
• Non stimola la secrezione di insulina (no senso di sazietà).
• Viene più facilmente incorporato nei TAG.
• Non aumenta la Leptina (adipochina che aumenta il senso di sazietà).
• Non diminuisce la Grelina (ormone prodotto dalle cellule gastriche e dalle cellule epsilon del pancreas che dà senso di sazietà).

Destino metabolico del fruttosio

Il Fruttosio assunto con la dieta entra negli enterociti tramite GLUT5 quindi tramite la vena porta raggiunge il fegato. All'interno dell'epatocita, il Fruttosio può essere metabolizzato seguendo due diverse vie: la via specifica e la via aspecifica.

• La via aspecifica viene effettuata anche in altri tessuti quali Eritrociti, tessuto adiposo e tessuto muscolare; negli eritrociti infatti è presente Glut1 che non è selettivo per il glucosio. È una via non specifica per il Fruttosio ma che può essere intrapresa anche da altri zuccheri come il mannosio, dovuto all'aspecificità dell'esochinasi.
  • Fru —(HK)→ Fru6P
• La via specifica è effettuata solo dal fegato e dai reni. In questi tessuti il fruttosio viene fosforilato in Fru-1P per azione dell'enzima Fruttochinasi che è specifico per il fruttosio. Questo enzima ha una bassa Km e non è sotto il controllo dell'insulina.
  • Fru —(FruttoK)→ Fru1P

  Il Fru1P viene scisso nei due triosi dall'aldolasi B: la gliceraldeide ed il diidrossiacetone-P (sapere strutture). Aldolasi, 3 isoforme:

  • A nel muscolo
  • B nel fegato
  • C nel cervello

  L'aldolasi B lavora sia sul Fru-1,6-bisP che sul Fru-1P (ma è più affine per il primo) mentre l'aldolasi A lavora solo sul Fru-1,6-bisP.

Destino del diidrossiacetone-P

• Il diidrossiacetone-P tramite la trioso-P-isomerasi viene convertito in gliceraldeide-3P che continua la via glicolitica.
• Il diidrossiacetone-P può diventare substrato della glicerolo-3P-DH che riduce il carbonio carbonilico sul C2 per formare glicerolo-3-P.
• Può condensare con la gliceraldeide-3P per dare Fru-1,6-BisP.

La gliceraldeide può seguire due diverse vie:

1. Può essere fosforilata sul C3 da una trioso-chinasi a dare gliceraldeide-3P che può:
   • entrare in glicolisi
   • condensare con il diidrossiacetoneP a formare Fru1,6bisP che riforma Glu6P (Fru1,6P → Fru6P → Glu6P) che:
     • continua la gluconeogenesi (Glu6P → Glu) per innalzare la glicemia.
     • entra in glicogenosintesi (Glu6P—(mutasi)→ Glu1P + UDP → UDPgluc → glicogeno)
2. La sua funzione aldeidica sul C1 può essere ridotta in alcolica da un'alcol-deidrogenesi a formare Glicerolo. Solo nel fegato è presente la glicerolo chinasi che fosforila il glicerolo in Glicerolo-3P.

Metabolismo del fruttosio

Il fruttosio quindi entra nella via glicolitica o come Fru-6P (via aspecifica) o come Gliceraldeide-3P (via specifica) o come Fru-1,6-bisP (via specifica), in tutti questi casi si salta un'importante tappa regolativa della glicolisi, quella catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 (PFK-1). In condizioni di benessere energetico si produrrà molto citrato ed ATP che fungono da inibitori allosterici della PFK1 regolando quindi la velocità della glicolisi. Questa regolazione manca nel metabolismo del fruttosio pertanto più fruttosio ho disponibile e più verrà convertito in Fru-6P. La mancanza di regolazione comporta un accumulo dei prodotti finali del metabolismo del fruttosio, in primis un accumulo di piruvato, come viene smaltito questo accumulo?

• Una parte verrà convertita in lattato ad opera della lattato-DH ma l'accumulo di lattato è un problema perché interferisce con l'eliminazione degli urati (prodotti del catabolismo delle basi azotate) a livello renale; ne consegue formazione di cristalli di acido urico (iperuricemia) che si manifesta con gotta.
• Il piruvato in eccesso viene convertito in Acetil-CoA dal complesso della piruvato-DH (decarbossilazione ossidativa), l'AcetilCoa entra nel mitocondrio e reagisce con l'ossalacetato per formare citrato. Essendo in uno stato di benessere energetico il ciclo di Krebs è rallentato ed il citrato esce dal mitocondrio e va nel citosol dove è presente una tiolasi che lo scinde nuovamente in AcetilCoA + ossalacetato. L'AcetilCoA, ora citosolico, viene utilizzato per la biosintesi degli acidi grassi che reagendo con il glicerolo-3P (vedi sopra) formano i TAG. Inoltre il MalonilCoA (primo intermedio della biosintesi degli acidi grassi) è un modulatore allosterico negativo della carnitina acil-transferasi I pertanto rallenta la β-ossidazione degli acidi grassi. Questo spiega perché l'uso eccessivo di dolcificante HFCS porta ad una maggiore liponeogenesi.

Nell'epatocita i TAG vengono impacchettati all'interno delle VLDL che vanno in circolo e man mano che si scaricano di acidi grassi si caricano di colesterolo diventando LDL. Gli acidi grassi contenuti nelle VLDL vengono captati dal tessuto muscolare ed adiposo. L'aumento della biosintesi lipidica nel fegato comporta anche un aumento di fosfolipidi come l'inositolo-4,5-bP la cui scissione genera diacilglicerolo (DAG) che attiva la PKC. Questa a sua volta fosforila il Rc dell'insulina su residui di serina diminuendone la capacità di lavoro. Si instaura una condizione di insulino-resistenza per cui l'insulina viene prodotta ma il suo recettore non performa a dovere.