Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche. Modulo Prof. Prinetti

Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche

Parte 2: Prof. Prinetti

Appunti a cura di: Alessandro Magro
Anno accademico 2020-2021
Prinetti lezione 1: Biochimica delle malattie metaboliche

Biochimica medica Lieberman e Marks un approccio clinico seconda edizione

• 22/12 no lezione
• Lezione finisce il 19/01
• 11-12 gennaio in presenza —> sottolineerà le cose importanti del corso
• Lezioni caricate sul sito Ariel in 1-2 giorni
• Esame probabilmente orale fatto in remoto

Reazioni chimiche negli esseri viventi

Un essere vivente è un sistema in cui avvengono reazioni chimiche. Queste reazioni chimiche seguono delle leggi diverse dalle reazioni chimiche che avvengono in altri ambienti? Le leggi della chimica sono le stesse per la materia vivente e non vivente? Le leggi fondamentali sono le stesse. La diversità fondamentale tra un essere vivente e uno no, per esempio il nucleo di una stella o l'atmosfera, è: cosa rende gli esseri viventi diversi dal punto di vista della chimica?

Negli esseri viventi le reazioni chimiche tendono a mantenere l'omeostasi del sistema vivente. Omeostasi fatta da pH, concentrazione di varie molecole e anche altri aspetti che possiamo definire ordine. Un sistema vivente è un sistema in cui esiste dell'ordine.

Mantenimento dell'omeostasi

I globuli rossi hanno un'emivita di 120 giorni. Perdiamo dei globuli rossi e ricambiamo continuamente le nostre strutture come membrane plasmatiche e strutture dell'epidermide perché siamo un sistema aperto. Se vogliamo mantenere costante l'emoglobina nel sangue cosa dobbiamo fare? Perdiamo 6.5g di emoglobina ogni giorno. Come manteniamo costante la concentrazione? Dobbiamo sistemare il bilancio facendo della nuova emoglobina. Per mantenere l'ordine devo fare fatica, devo compiere del lavoro.

Ci sono trasformazioni che tendono ad andare verso il disordine ed è quello che succede se lascio andare la mia chimica nella direzione a lei spontanea: tenderei a perdere la mia situazione ordinata. Per mantenere ordine devo compiere del lavoro. Per compiere del lavoro serve energia, da dove la prendo? Dai nutrienti.

Energia e ATP

Se vogliamo mantenere omeostasi dobbiamo compiere del lavoro e per farlo ci serve energia. Questa energia la ricaviamo da ATP. L'idrolisi di ATP in ADP e fosfato sprigiona molta energia che posso usare per compiere del lavoro. C'è una variazione del deltaG ovvero l'energia libera che è energia disponibile per compiere del lavoro. Il deltaG₀ vale circa 7,3 kcal/mole, più del doppio dell'energia che si libera quando rompo un legame covalente medio.

ATP ha due legami ad alta energia e uno no. Quando rompo legami ad alta energia sprigiono 7 kcal/mole, quelli a non alta energia liberano circa la metà, 3.5 kcal/mole. Quindi si accoppia l'idrolisi di ATP a un determinato lavoro. Il modo più comune per fare del lavoro nella cellula è accoppiare una trasformazione non spontanea all'impiego di ATP e rottura del legame alto-energetico.

Lavoro muscolare

Il lavoro muscolare è un lavoro contrattile. Nel muscolo ci sono delle fibre che si contraggono. Il muscolo si accorcia nella contrazione per la presenza di fibre fatte da filamenti proteici che scorrono gli uni sugli altri. Lo scorrimento reciproco dei filamenti determina l'accorciamento del muscolo. I filamenti di actina e miosina scorrono perché la miosina ha attività ATP-asica. È in grado di rompere ATP e l'energia che ne deriva mette in moto una serie di fenomeni che consentono poi lo scorrimento di actina e miosina.

Utilizzo dell'ATP

Posso usare ATP per fare molti lavori. Sodio e potassio sono due ioni. Se io guardo una cellula, la concentrazione di sodio e potassio è diversa dentro e fuori dalla cellula. Il potassio è maggiore dentro la cellula e il sodio è maggiore fuori dalla cellula. C'è un gradiente di sodio e di potassio a cavallo della membrana. Questa differenza di concentrazione per essere realizzata necessita di lavoro. Trasportare sodio o potassio dentro o fuori la cellula è compiere un lavoro. Il gradiente viene fatto dalla pompa sodio potassio ATP-asi. Questo lavoro sfrutta energia immagazzinata nella molecola dell'ATP.

I sistemi viventi sono ordinati ma tendono ad andare verso il disordine. Per avere ordine devo compiere del lavoro.

Lavoro di tipo biosintetico

Sintetizzare il glicogeno è un esempio di lavoro di tipo biosintetico. Posso usare energia che deriva dall'idrolisi di ATP per fare lavori molto diversi. Se consumo ATP lo devo rigenerare per fare nuovo lavoro. Tornare da ADP a ATP è difficile perché devo fosforilare e compiere lavoro che richiede energia. ATP non si accumula, va fatto continuamente.

Ogni battito del cuore consuma 2% di ATP che c'è nel muscolo cardiaco. L'energia per poter fare ATP la prendiamo dagli alimenti. Introduciamo con la dieta dei nutrienti energetici: carboidrati, grassi, proteine, che usiamo per liberare una certa quantità di energia. Questa quantità la usiamo per fare l'ATP.

Energia dai nutrienti

Come si fa a liberare energia che c'è in un nutriente e metterla a disposizione per fare ATP? Posso usare zuccheri, carboidrati semplici o complessi, acidi grassi, amminoacidi che sono tutti validi come substrato energetico. I carboidrati ci danno 4 kcal per g. I grassi 9 kcal/g. Gli AA valgono 4 kcal/g. Le calorie che ci danno sono usate per fare ATP.

Come si tira fuori energia dalla molecola di glucosio, acido grasso, amminoacido? Metano reagisce con ossigeno a dare anidride carbonica ed acqua e questa si chiama combustione. È una reazione di ossido-riduzione. Ossigeno molecolare prende elettroni. Nelle reazioni di combustione in genere si formano anidride carbonica ed acqua. Questa reazione ha un deltaG zero prima minore di zero, quindi spontanea e libera energia.

Combustione del glucosio

In una cellula posso bruciare del glucosio. Glucosio può reagire con ossigeno molecolare e dare luogo a una combustione con formazione di anidride carbonica e acqua. Quando brucio il glucosio libero energia. Tutte le reazioni di combustione sono associate a una liberazione di energia.

Per mantenere l'ordine dunque devo compiere lavoro. Per lavoro serve energia. Energia deriva da ATP. Per fare ATP però serve lavoro. Prendo energia dalla combustione dei nutrienti energetici. Per fare ATP dal glucosio devo fare la glicolisi.

Fosforilazione ossidativa

Fosforilazione ossidativa è fare ATP partendo da ADP usando energia che deriva dalla fosforilazione di un substrato. Ci servono quindi nutrienti che devono servire a venire ossidati nell'organismo e darci energia che serve per compiere un lavoro come la sintesi di emoglobina.

Nutrizione e biochimica

Nutrizione in funzione della biochimica: quali nutrienti e quanti me ne servono per fornire al mio sistema energia necessaria per mantenere l'ordine? Noi mangiamo per portare al nostro corpo molecole che saranno usate come fonti di energia. Posso usare glucosio per produrre energia per esempio. Noi mangiamo molecole come amido che va digerito per dare glucosio. Alimenti e nutrienti non sono la stessa cosa.

Non si mangia glucosio ma dei precursori che poi ci fanno arrivare a glucosio. Non dobbiamo mangiare solo nutrienti che ci danno energia, ci serve sicuramente energia, ma per esempio per fare emoglobina ci servono anche amminoacidi che andranno legati tra di loro con legami peptidici. Per fare dei legami dovrò fare un lavoro di sintesi. Per fare emoglobina di sicuro ci serve energia per fare i legami che tengono insieme gli AA dell'emoglobina. Oltre che l'energia ho bisogno gli amminoacidi.

Ho bisogno non solo di nutrienti energetici che sanno bruciati per fare energia per fare lavoro, ma anche nutrienti che fanno da mattoni per costruire le mie molecole e sono nutrienti plastici. Per fare l'emoglobina non bastano gli amminoacidi ma ci vuole anche il ferro. Emoglobina è una olo-proteina che contiene gruppo prostetico ovvero eme.

Importanza dei nutrienti essenziali

Per fare sintesi di eme si usano molecole che sono drenate in parte dal ciclo di Krebs. Ci servono anche enzimi, vitamine, coenzimi. I nutrienti essenziali non possiamo sintetizzarli e dobbiamo introdurli per forza con la dieta. Ci sono anche acidi grassi che sono nutrienti essenziali che si usano come precursori di molecole come le prostaglandine. Mi servono nutrienti per fare componenti strutturali e anche molte altre cose.

Nutrizione adeguata

Nutrizione adeguata consente di avere un apporto sufficiente in termini di energia e di molecole. Si può valutare il nostro fabbisogno energetico quotidiano. Si può calcolare il metabolismo basale. Si può calcolare quante proteine dobbiamo mangiare al giorno, circa 0.8 g per kg di peso corporeo. Dobbiamo mangiare e introdurre molecole che utilizziamo per altri scopi. Posso valutare con vari modi qual è il mio fabbisogno in termini sia di nutrienti energetici che plastici.

Reazioni metaboliche

Ci sono due blocchi di reazioni metaboliche: ricavare energia da molecole o immagazzinare molecole di scorta. Ho bisogno di vie metaboliche per accumulare energia di scorta. Se mangio più nutrienti del mio fabbisogno varia il mio peso e metto da parte energia di scorta.

Se mangio più AA rispetto a quelli che mi servono quotidianamente cosa succede? Posso utilizzare quelli in più a scopo energetico. Negli amminoacidi c'è un elemento che non c'è nei grassi e carboidrati ovvero azoto. Azoto è un problema, perché per staccarlo si forma ammoniaca che è un veleno. Lo devo eliminare sotto forma di un composto non tossico ovvero urea. Le vie biosintetiche mi servono per fare le molecole del mio organismo.

Biochimica Prinetti lezione 2

Abbiamo visto in cosa consistono le peculiarità della chimica di un sistema vivente. Il sistema vivente scambia energia e materia con l'esterno. Deve mantenere un elevato livello di ordine e questo richiede lavoro che richiede energia. Un ottimo modo per procurarsi energia da utilizzare nelle cellule o nel mondo inanimato è bruciare un combustibile. Il cuore della macchina ossidativa della cellula è il ciclo di Krebs dove viene completata ossidazione delle molecole ed energia che ne deriva viene usata per fare l'ATP, composto ad alta energia. Contiene legami la cui idrolisi determina una liberazione di una grande quantità di energia. Ogni volta che vogliamo compiere del lavoro possiamo utilizzare energia che deriva dall'idrolisi di ATP.

Per poter disporre di ATP abbiamo bisogno di molecole da ossidare, substrati ossidabili. I substrati ossidabili di cui abbiamo parlato sono molecole che derivano dalla dieta e dagli alimenti.

Fabbisogni di nutrienti

Quando consideriamo diversi alimenti che possiamo usare come nutrienti energetici per la produzione di energia possiamo ricavare quantità diverse di energia. Noi siamo in grado quindi di determinare dei fabbisogni di nutrienti. Sono fabbisogni di energia e in generale di nutrienti. Dobbiamo introdurre con gli alimenti dei nutrienti che utilizziamo per mettere a disposizione energia, ma dobbiamo introdurre anche dei nutrienti che entrano a far parte delle molecole di cui siamo fatti. I nutrienti che ci servono appartengono a diapositiva molto eterogenee.

A noi serve in continuazione un rifornimento di nutrienti per il nostro corpo. Se non riforniamo in quantità adeguata il nostro corpo si incorre in problemi. Fornire alimenti in quantità non adeguata vuol dire dare sofferenza all'organismo. Il problema principale che lega la nutrizione alle malattie metaboliche è l'eccesso di nutrienti. Problema della iper-nutrizione.

Alimentazione e metabolismo

Abbiamo parlato di fabbisogni —> possiamo calcolare la quantità di energia da introdurre tutti i giorni per soddisfare un'adeguata alimentazione. Il nostro organismo prevede una serie di vie metaboliche che ci fanno ricavare energia, d'altra parte però ha anche vie metaboliche che ci fanno depositare energia sotto forma di scorta. Questo lo possiamo fare in diversi modi.

Le scorte energetiche nell'organismo sono glicogeno nel fegato e nei muscoli scheletrici e tessuto adiposo. Nel digiuno utilizziamo come fonte di energia anche gli amminoacidi. Questi li prendiamo dai muscoli, dalla demolizione di tessuti proni alla demolizione. Il tessuto muscolare scheletrico è più prono a farsi demolire, anche albumina plasmatica si usa a tale fine.

• Abbiamo 6 kg di proteine che possono essere mobilizzabili nel digiuno. Questa scorta energetica è di importanza vitale. Se non usiamo gli amminoacidi nel digiuno non riusciamo a mantenere costante la glicemia.
• Come mantengo costante la glicemia? Ci sono scorte di glicogeno, che è una delle prime cose usate nel digiuno. Il glicogeno viene demolito ad opera dell'ormone glucagone. Questo ci consente di mantenere alta la glicemia.
• Se il digiuno diventa prolungato (non fisiologico, superiore alle 10 ore) alla demolizione del glicogeno si affianca un altro processo per mantenere costante la glicemia che è la gluconeogenesi. Le scorte di glicogeno epatico si consumano dopo 30h. Alla fine del digiuno notturno una grossa quota del glucosio che va nel sangue deriva non dalla demolizione del glicogeno epatico, ma dalla gluconeogenesi.
• A 16h di digiuno l'apporto di glucosio è identico e deriva sia da glicogeno che gluconeogenesi.

Le proteine del muscolo non sono fatte per fare la scorta energetica. Il glicogeno e i trigliceridi invece sì. Nel digiuno produco molta energia anche utilizzando trigliceridi del tessuto adiposo che ci forniscono più valore energetico del glicogeno. Nel fegato c'è al massimo il 10% del peso del fegato sotto forma di glicogeno, circa 200g —> 4 kcal per g —> 800 kcal. La demolizione del glicogeno ci dà glucosio in modo molto rapido.

Quantità di tessuto adiposo in media? Circa 20% del peso corporeo. 70 kg allora 14 kg sono tessuto adiposo. Di questi circa 85% è fatto da trigliceridi, perché tessuto adiposo contiene poca acqua. Quindi 12-13 kg di trigliceridi una persona nella norma. Questi ci danno 90k kcal che sono lì come scorta energetica. Quantità enorme di energia paragonata a quella di glicogeno.

Utilizzo dei trigliceridi nel digiuno

Nel digiuno utilizzare i trigliceridi nel tessuto adiposo —> glucagone ne stimola l'idrolisi da parte di un enzima che è la trigliceride-lipasi-tissutale. I trigliceridi si muovono, sono riversati acidi grassi in circolo e usati dai vari tessuti per produrre energia. La fregatura è che i trigliceridi quando sono beta-ossidati formano acetil-CoA e con questo non posso fare glucosio. Per mantenere la glicemia a livello basale devo comunque fare la gluconeogenesi e quindi usare gli amminoacidi.

Per la gluconeogenesi devo esportare piruvato o ossalacetato dal mitocondrio che sono substrato della gluconeogenesi. Quando sono nel digiuno, nel mitocondrio epatico ho un sacco di acetil-CoA per via degli acidi grassi liberi che vengono beta-ossidati. Per fare Krebs cosa serve insieme ad acetil-CoA? Serve ossalacetato. Questo però lo uso per fare la gluconeogenesi.

Nel digiuno quindi una quota di acetil-CoA non riesce ad essere ossidata in modo efficace reagendo con ossalacetato e non entra in Krebs. Questo quindi ristagna nel mitocondrio e va verso la sintesi di molecole che sono corpi chetonici. Questi sono utilizzati come substrati energetici. Il vantaggio di usare i corpi chetonici: quando aumenta la concentrazione di acetil-CoA è inevitabile che una certa quota vada per la sintesi di corpi chetonici. Quando concentrazione di acetil-CoA aumenta allora produzione di corpi chetonici aumenta.

Questo è un vantaggio perché mitocondrio viene alleggerito di acetil e i corpi chetonici sono captati da altri tessuti. I corpi chetonici vengono ritrasformati in acetil-CoA e bruciati nel ciclo di Krebs. La maggior parte dei tessuti hanno molti acidi grassi liberi in circolo. Il vantaggio dei corpi chetonici sembra non esserci per molti tessuti. Il cuore è avido di corpi chetonici nel digiuno. Tessuto che non è in grado di captare dal circolo acidi grassi è il sistema nervoso centrale. Gli acidi grassi non passano la barriera emato-encefalica. Al contrario i corpi chetonici passano la barriera quindi il cervello in condizioni di digiuno non usa grassi, ma i corpi chetonici sì, che derivano dalla beta ossidazione degli acidi grassi ricavati demolendo trigliceridi dal tessuto adiposo.

Quando siamo in buona alimentazione accumuliamo scorte. In digiuno le utilizziamo in vari modi. Esseri umani non mangiano in continuazione, ma solo un numero ristretto di volte, si alterna alimentazione e digiuno.

Il circolo tende anche se di elementi ad aumentare e questo di solito avviene intorno ai cinque giorni di digiuno quindi vuol dire che cinque giorni di digiuno stiamo demolendo una quantità molto significativa di massa magra. Quando si muore di fame, non si muore perché non c'è più energia a disposizione, ma perché la demolizione delle proprie proteine tissutali ci porta prima o poi ad avere l'incapacità di smaltire i rifiuti azotati. Soprattutto perché, in un giovane, a un certo punto si inizia a demolire anche l'albumina plasmatica. Il fegato subisce un enorme carico per smaltire azoto sottoforma di urea e il rene subisce un enorme carico perché deve smaltire azoto sottoforma di urea o ammonio. Per ultrafiltrare il sangue ha bisogno della pressione colloido osmotica del sangue e l'albumina plasmatica è responsabile di una buona percentuale della pressione colloido osmotica del sangue, che è la forza che ci consente di realizzare la filtrazione a livello renale e quindi di eliminare ammonio. Quando noi iniziamo a diminuire la quantità di albumina nel sangue, perché iniziamo a utilizzarla, stiamo demolendo una grande quantità di amminoacidi e la pressione colloido osmotica tende a diminuire. Facciamo fatica a smaltire l'ammonio, il fegato inizia a soffrire perché non riesce più a fissare l'ammoniaca nel ciclo dell'urea, e questo porta a complicazioni nel metabolismo azotato.