4 - Metabolismo lipidico epatico

Metabolismo lipidico

Gli acidi grassi nel fegato sono sempre largamente disponibili e rappresentano la principale fonte energetica degli epatociti. Questi acidi grassi possono essere sintetizzati direttamente nel fegato o arrivare al fegato mediante la circolazione sanguinea. Gli acidi grassi che arrivano al fegato legati all’albumina sono i NEFA (acidi grassi non esterificati). I NEFA arrivano al fegato anche in condizioni di digiuno o diete sbilanciate in quanto i TAG vengono idrolizzati nel tessuto adiposo per azione del glucagone, dell’adrenalina e del cortisolo.

Nel fegato gli acidi grassi vanno incontro a β-ossidazione per fornire NADH e FADH₂ (che tramite la fosforilazione ossidativa forniscono in ultima analisi ATP che supporta la gluconeogenesi) e AcetilCoA che si accumula (l’OAA è coinvogliato nella gluconeogenesi) e condensa a formare i corpi chetonici.

Quali sono gli acidi grassi che arrivano al fegato?

• Acidi grassi della dieta (TAG che ingeriamo) - I grassi che ingeriamo vengono attaccati da lipasi pancreatiche, immesse nell’intestino, che scindono i TAG in glicerolo e acidi grassi. In seguito, gli acidi grassi a catena lunga e quelli a catena corta seguono due destini diversi:
  • Gli acidi grassi a catena corta (10-12 C) riescono ad attraversare gli enterociti, quindi vanno in circolo legati all’albumina e tramite la vena porta raggiungono il fegato dove verranno utilizzati o per la β-ossidazione e coinvogliati nel ciclo di Krebs (in entrambi i casi vengono utilizzati a scopi energetici).
  • Gli acidi grassi a catena lunga (16-18 C per la maggior parte) si fermano a livello degli enterociti (il glicerolo viene invece assorbito), qui insieme al glicerolo-3P (derivante dal metabolismo glucidico) vengono convertiti in TAG che lasciano l’intestino all’interno di chilomicroni. I chilomicroni prendono la via linfatica (dotto toracico, succlavia e circolazione sistemica) per raggiungere il tessuto adiposo, dove riversano gli acidi grassi che andranno a costituire i grassi di riserva, ed il tessuto muscolare dove gli acidi grassi vengono utilizzati a scopi bioenergetici. Il chilomicrone residuo (ora svuotato degli acidi grassi) raggiunge il fegato dove i pochi acidi grassi residui vengono utilizzati per sintetizzare i fosfolipidi delle membrane degli epatociti stessi oppure possono fungere da fonte energetica andando incontro a β-ossidazione e ciclo di Krebs.
• Acidi grassi provenienti da una dieta ricca in carboidrati - In questa condizione di iperglicemia il glucosio va incontro a glicolisi e l’eccesso va incontro allo shunt che in ultima analisi porta alla sintesi degli acidi grassi (vedi argomento precedente). Questi acidi grassi non vengono utilizzati a scopi energetici ma una parte viene utilizzata per sintetizzare fosfolipidi di membrana mentre altri vengono incorporati sottoforma di TAG nelle VLDL che si riversano in circolo per rilasciare acidi grassi al tessuto adiposo e muscolare. Le VLDL svuotate dagli acidi grassi diventano LDL (più ricche in colesterolo) che ritornano al fegato.

Compartimentalizzazione della biosintesi dei corpi chetonici e del colesterolo

È importante ricordare che corpi chetonici e colesterolo si formano entrambi nel fegato ma in due distinti compartimenti ed in differenti condizioni: i corpi chetonici si formano nel mitocondrio a partire da AcetilCoA che si accumula in seguito alla β-ossidazione degli acidi grassi mentre il colesterolo viene sintetizzato a livello del citosol per un eccesso di AcetilCoA derivato da una dieta ricca in carboidrati.

Gli acidi grassi sono inibitori della PK e della PDH.

Come entrano nei mitocondri gli acidi grassi?

Per entrare nel mitocondrio l’acido grasso deve essere attivato mediante aggiunta di un CoA a livello del suo gruppo carbossilico. L’attivazione avviene ad opera dell'AcilCoA-sintetasi mediante formazione di un legame tioestere tra il gruppo tiolico del CoA e il gruppo carbossilico dell’acido grasso. La reazione prevede la formazione di un intermedio Acil-adenilato e necessita quindi dell’idrolisi di una molecola di ATP in AMP - PP_i (è come se venissero consumati 2 ATP).

Dopo essere stato attivato l’AcilCoA può entrare nel mitocondrio mediante lo shuttle della carnitina. La carnitina è un amminoacido (non essenziale) sintetizzato a partire dagli aa lisina e metionina o introdotto con la dieta mediante il consumo di carne; l’AcilCoA si lega a livello del gruppo -OH della carnitina, con distacco del CoA, per formare Acil-carnitina. La reazione è catalizzata dall’Acil-carnitina transferasi 1, fortemente inibita dal malonilCoA poiché se ho un eccesso di malonilCoA sono in una condizione (dieta ricca in glucidi) in cui ho bisogno di sintetizzare acidi grassi; nel caso contrario, se devo fare β-ossidazione avrò poco malonilCoA che non andrà quindi ad inibire la carnitina Acil-transferasi 1.

Nella matrice mitocondriale l’Acilcarnitina diventa substrato dell’Acil-carnitina transferasi 2 che in presenza di CoA riforma AcilCoA e carnitina. La carnitina può uscire dal trasportato acilcarnitina-carnitina per essere disponibile ad un nuovo trasporto mentre l’AcilCoA va incontro a β-ossidazione.

Chetogenesi epatica

L’acetilCoA che si forma dalla β-ossidazione degli acidi grassi può entrare nel ciclo di Krebs o essere convertito in corpi chetonici. I corpi chetonici sono derivati lipidici idrosolubili, essi sono:

• Acetone, volatile se ne va con la respirazione, forma decarbossilata dell’acetoacetato.
• Acetoacetato, il primo a formarsi.
• β-idrossibutirrato, forma ridotta dell’acetoacetato, lo si ritrova in quantità maggiore poiché nella matrice mitocondriale è presente NADH derivante dalla β-ossidazione.

Acetoacetato e β-idrossibutirrato vengono utilizzati come fonte energetica dal tessuto muscolare, dal cervello e dal tessuto adiposo mentre non vengono assolutamente utilizzati né dagli eritrociti né dal fegato che possiede gli enzimi per la loro sintesi ma non per il loro metabolismo. La biosintesi dei corpi chetonici avviene quasi esclusivamente nel fegato, ed in minima parte nei reni.

In condizioni normali esiste un equilibrio tra utilizzo e produzione di corpi chetonici, tale che questi sono presenti in circolo ad una concentrazione di 2 mg/100 mL di plasma. In condizioni di digiuno o diete sbilanciate la loro concentrazione in circolo aumenta fino ad un valore al quale stimolano la secrezione di insulina che agisce rallentando la mobilitazione di acidi grassi dal tessuto adiposo (lipolisi inibita) quindi rallentando la β-ossidazione a livello epatico.

Acido grasso legato al gruppo fosforico dell’AMP (R-COO-P-adenina) primo intermedio della biosintesi degli acidi grassi a 3 atomi di C.

β-ossidazione: degradazione degli acidi grassi mediante rimozione di unità bicarboniose, sottoforma di AcetilCoA, a partire dall’estremo carbossi-terminale dell’acido grasso.

Quando vengono sintetizzati?

La β-ossidazione produce AcetilCoA che per entrare nel ciclo di Krebs necessita di OAA. In condizioni di digiuno prolungato tuttavia l’OAA è coinvogliato nella gluconeogenesi quindi non può condensare con l’AcetilCoA. L’AcetilCoA in queste condizioni viene utilizzato per la biosintesi dei corpi chetonici.

Come vengono sintetizzati?

Attraverso 3 reazioni (condensazione-condensazione-lisi) si forma l’Acetoacetato + AcetilCoA. L’acetoacetato per decarbossilazione dà l’acetone mentre per riduzione dà il β-idrossibutirrato. Vediamo le reazioni nel dettaglio.

1. Condensazione di 2 molecole di AcetilCoA operata dall’enzima tiolasi con produzione di AcetoacetilCoA (reazione inversa a quella catalizzata dalla tiolasi nella β-ossidazione) e liberazione di CoA che consente alla β-ossidazione di procedere.
2. Condensazione di una terza molecola di AcetilCoA con formazione di β-idrossi-β-metilglutaril-CoA (HMG-CoA).
3. Lisi operata da una liasi (no idrolisi!) che scinde il HMG-CoA in Acetoacetato + AcetilCoA. Nel complesso queste tre reazioni portano alla sintesi di Acetoacetato e liberano CoA che permette alla β-ossidazione di continuare.

Il β-idrossibutirrato attraverso il circolo arriva ai tessuti dai quali viene utilizzato (muscolo cardiaco, cervello, tessuto adiposo); una volta entrato in questi tessuti viene ossidato ad acetoacetato quindi attivato ad opera di una Tioforasi (assente a livello epatico) mediante legame con il CoA donato dal succinil-CoA. L’AcetoacetilCoA che si forma diviene quindi substrato di una tiolasi che, in presenza di un’altra molecola di CoA, lo scinde in 2 AcetilCoA che possono entrare nel ciclo di Krebs per dare energia.

NB: l’esercizio muscolare induce nel muscolo scheletrico la sintesi di Tioforasi e di Tiolasi per l’utilizzo energetico dei corpi chetonici; per questo motivo i sedentari sono più propensi a manifestare chetosi a seguito di un’alimentazione iperlipidica rispetto agli individui allenati.

Livello di corpi chetonici nel sangue durante il digiuno

Dopo 2-3 giorni di digiuno in circolo è maggiormente presente il β-idrossibutirrato ed in minor percentuale l’acetoacetato. In circolo troveremo anche i NEFA rilasciati dal tessuto adiposo, la cui concentrazione tende a stabilizzarsi, e glucosio che diminuisce fino a raggiungere un valore costante assicurato dalla gluconeogenesi. Nel momento in cui inizia la fase di adattamento al digiuno, cominciano ad aumentare i corpi chetonici presenti in circolo e, quando il β-idrossibutirrato è presente ad una concentrazione consistente, riesce ad attraversare la barriera ematoencefalica per essere utilizzato dalle cellule cerebrali a scopo energetico. Con l’utilizzo dei corpi chetonici diminuisce la richiesta di glucosio quindi la gluconeogenesi epatica può permettersi di rallentare; in questo modo viene preservata la massa magra ed altre importanti proteine.

Il consumo di corpi chetonici determina la produzione di ATP che, se presente in elevata quantità, inibisce l’isocitratoDH determinando un accumulo di citrato che esce dal mitocondrio; nel citosol il citrato inibisce la PFK1 rallentando così la glicolisi, a monte si accumulerà G6P che inibisce l’HK determinando un minor uptake di glucosio. I corpi chetonici rallentano la proteolisi e l’ossidazione degli amminoacidi a catena ramificata nel muscolo, di conseguenza di produce meno alanina. Viene quindi rallentato il deperimento muscolare e rallenta la gluconeogenesi nel fegato. Fino a quando i livelli di corpi chetonici rimangono elevati per effetto della β-ossidazione epatica, la necessità di aa per la gluconeogenesi è ridotta, quindi è minore la necessità di utilizzare il tessuto muscolare. Il problema si presenta qualora esauriscano le riserve di grasso, in questo caso infatti, in assenza di glicogeno da degradare, il fegato inizia ad utilizzare le proteine per fare la gluconeogenesi. Le proteine inizialmente utilizzate sono quelle del muscolo scheletrico cui seguono proteine essenziali come quelle cardiache ed epatiche; questo può portare anche alla morte dell’individuo. Da questo si deduce l’importanza della sintesi di corpi chetonici e delle diete chetogeniche a supporto del trattamento di alcune patologie come l’epilessia.

Dieta chetogenica

Dieta ricca in proteine o lipidi e povera di carboidrati, induce la formazione di corpi chetonici.

Chetonemia

Elevata concentrazione di corpi chetonici in circolo che può essere conseguenza di diabete non trattato, diete troppo rigide e digiuno prolungato con produzione di corpi chetonici in quantità superiore alla capacità degli organi extraepatici di utilizzarli.

Chetonuria

Corpi chetonici nelle urine che si manifesta quanto nel plasma i corpi chetonici sono presenti ad una concentrazione >3 mM. La chetonuria si misura con striscie reattive chiamate ‘ketostix’. La chetosi (iperproduzione di corpi chetonici) può essere trattata somministrando glucidi.

Chetoacidosi e D.M. di tipo I non trattato

Nei soggetti affetti da diabete mellito di tipo I non trattato si riscontra una condizione di iperglicemia nella quale però le cellule sono povere di glucosio (analogamente alla condizione ipoglicemica). Ciò si verifica poiché non si ha produzione di insulina quindi è diminuito l’uptake cellulare di glucosio dal circolo. In questa condizione vengono secreti enzimi contro-insulari quali glucagone, cortisolo ed adrenalina e vengono attivate le vie cataboliche di degradazione dei TAG nel tessuto adiposo che va a supportare a gluconeogenesi epatica (che incrementa ulteriormente l’iperglicemia). Lo scenario che si instaura è simile a quello di una condizione di digiuno prolungato e porta ad una condizione di chetosi, ovvero ad un aumento della chetogenesi epatica quindi di corpi chetonici in circolo. Tuttavia nei soggetti affetti da DM I non compensato si può arrivare ad una condizione ancora più grave nota come chetoacidosi nella quale all’iperglicemia si aggiunge una brusca diminuzione del pH ematico. L’acidosi è dovuta all’eccesso di corpi chetonici in circolo che vengono eliminati con le urine sottoforma di sali di Na⁺ e K⁺ con conseguente diminuzione di cationi e minor effetto tamponante plasmatico (diminuisce la riserva alcalina del sangue aumentando l’acidità). Questo effetto non si manifesta durante il digiuno prolungato perché l’eccesso di corpi chetonici ha anche la funzione di stimolare la produzione di insulina la quale rallenta la lipolisi dei TAG. Conseguenze della chetoacidosi sono: iperglicemia, glicosuria, disidratazione, ipotensione, ipovolemia, aritmie e condizioni di incoscienza fino a coma e morte.

In questa condizione di ipoglicemia cellulare (ma con elevato glucosio in circolo) il glucagone stimola l’adipocita a scindere i TAG, quindi gli acidi grassi legati all’albumina raggiungono il fegato dove vanno incontro a β-ossidazione per produrre ATP (gluconeogenesi) e corpi chetonici oppure possono essere utilizzati per produrre TAG e VLDL. Inoltre in seguito ad un pasto lipidico il soggetto avrà in circolo anche chilomicroni. Le proteine ingerite vengono invece digerite in aa nell’intestino e raggiungono il fegato dove vengono utilizzati per la gluconeogenesi insieme agli aa derivanti dalla degradazione delle proteine muscolari (massa magra) ed a glicerolo derivato dal catabolismo dei TAG nell’adipocita. Il glucosio che così si forma si va a sommare a quello presente in circolo aumentando ulteriormente la glicemia. Avremo inoltre uno stato di ipertriacilglicerolemia in seguito all’accumulo di VLDL e chilomicroni che non possono essere utilizzati poiché l’attività dell’enzima lipoproteine-lipasi è insulino dipendente, non producendo insulina l’enzima sarà inattivo e le lipoproteine si accumuleranno.

Qual è il trattamento?

Si somministra insulina e si esegue una terapia per reidratare in caso di disidratazione. Una eccessiva reidratazione è tuttavia pericolosa poiché, in una condizione di disidratazione, le cellule nervose cercano di trattenere il più possibile acqua producendo degli osmoliti (tra cui taurina ed inositolo), una reidratazione non graduale determinerebbe quindi un forte richiamo di acqua con formazione di edemi cerebrali.

Utilizzo clinico della dieta chetogenica

Dieta chetogenica nell’epilessia

L’idea nasce da un medico inglese che testò per la prima volta una dieta iperlipidica (80% lipidi, 15% proteine e 5% carboidrati) su pazienti affetti da epilessia ottenendo buoni risultati. La dieta ridurrebbe le crisi epilettiche del 50%. Si tratta tuttavia di una dieta fortemente sbilanciata che va eseguita in particolari condizioni e sotto controllo medico per un periodo non continuativo di 2 anni. Essendo fortemente ipoglucidica l’organismo tende ad effettuare la gluconeogenesi per assicurare glucosio a cervello, RBC ed agli altri tessuti e a mobilitare i NEFA dal tessuto adiposo; questi ultimi nel fegato vanno incontro a β-ossidazione con produzione di ATP necessario alla gluconeogenesi ed AcetilCoA quindi in ultima analisi di corpi chetonici che vanno in circolo e diminuiscono la richiesta di glucosio. La gluconeogenesi quindi rallenta per salvaguardare le proteine.

In che modo l’utilizzo spinto dei corpi chetonici ridurrebbe le crisi epilettiche? Alla base vi è una riduzione dei neurotrasmettitori eccitatori Glutammato ed Aspartato ed un aumento del neurotrasmettitore inibitorio GABA. Tra i corpi chetonici quello maggiormente prodotto è il β-idrossibutirrato che raggiunge concentrazioni tali da superare la barriera ematoencefalica. Nelle cellule nervose viene ossidato ad acetoacetato che viene poi attivato dal CoA ceduto dal succinilCoA mediante l’enzima Tioforasi (assente nel fegato). L’acetoacetilCoA formatosi diventa substrato della tiolasi per formare Acetil-CoA. All’interno del mitocondrio della cellula cerebrale l’AcetilCoA reagisce con l’OAA per formare Citrato. Condensando con l’Acetil-CoA diminuisce la concentrazione di OAA e di conseguenza si formerà meno Aspartato (aa eccitatorio derivato dalla transaminazione del glutammato con accettore l’OAA); dall’altra parte aumenta la quantità di glutammato che viene in buona parte convertito in glutammina che va in circolo per essere utilizzata a livello epatico, ed in parte de...]