Biochimica degli alimenti, della nutrizione e delle malattie metaboliche, parte 3: biochimica delle malattie metaboliche

Corso di

Biochimica degli alimenti, della

nutrizione e delle malattie

metaboliche

Mod. Biochimica delle malattie metaboliche

Prof. Riccardo Ghidoni

© Laila Pansera - 1

Sommario

Introduzione ........................................................................................................................................................................... 4

Proteine ........................................................................................................................................................................... 9

Carboidrati ..................................................................................................................................................................... 9

Lipidi ................................................................................................................................................................................. 9

Digestione e assorbimento ............................................................................................................................................... 9

Saccaridi ............................................................................................................................................................................ 10

AMIDO ........................................................................................................................................................................... 10

ALTRI SACCARIDI ....................................................................................................................................................... 12

Lipidi ................................................................................................................................................................................... 13

Proteine ............................................................................................................................................................................. 16

Destino dei nutrienti .......................................................................................................................................................... 17

Glucosio ............................................................................................................................................................................. 17

INSULINA ...................................................................................................................................................................... 17

RUOLO DELL’INSULINA NEL FEGATO ................................................................................................................ 20

GLICOLISI ...................................................................................................................................................................... 22

Altri zuccheri .................................................................................................................................................................... 26

FRUTTOSIO .................................................................................................................................................................. 26

GALATTOSIO ............................................................................................................................................................... 27

G6P: SHUNT DEI PENTOSI ...................................................................................................................................... 28

Lipidi ................................................................................................................................................................................... 29

GLUCONEOGENESI ................................................................................................................................................... 34

Glucagone ......................................................................................................................................................................... 35

Amminoacidi .................................................................................................................................................................... 39

GLUCONEOGENESI ................................................................................................................................................... 39

METABOLISMO DELLA PHE: FENILCHETONURIA .......................................................................................... 40

Colesterolo ............................................................................................................................................................................ 41

Biosintesi del colesterolo ............................................................................................................................................ 45

Omeostasi del colesterolo .......................................................................................................................................... 49

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AZIONE SULLA VIA METABOLICA: RIDUZIONE DELLA SINTESI DI COLESTEROLO .......................... 50

RIDUZIONE DELL’ASSORBIMENTO: STEROLI VEGETALI ............................................................................. 51

SMALTIMENTO DEL COLESTEROLO: BILE ........................................................................................................ 52

Ruolo biochimico e nutrizionale delle lipoproteine .............................................................................................. 55

Destino dei lipidi del plasma ..................................................................................................................................... 58

Patologie a carico dei lipidi ............................................................................................................................................ 63

Dislipidemie o iperlipoproteinemia ........................................................................................................................ 65

Valutazione del metabolismo lipidico .................................................................................................................... 66

Ruolo degli acidi grassi polinsaturi .............................................................................................................................. 67

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Introduzione

All’inizio si cercava di vedere come eravamo fatti, successivamente la biochimica si è sviluppata, e si

è iniziato a studiare come le molecole presenti nei nostri organismi venivano interconvertite tra di

loro (vie metaboliche). Una terza fase è stata quella di capire il ruolo funzionale delle molecole. Per

arrivare a questo è stato necessario introdurre il concetto di tempo e di spazio.

- Tempo: una molecola si trasforma in un’altra solo le trasformazioni sono compatibili con i

momenti della vita (se una molecola si trasforma in mille anni, la sua cinetica è troppo lenta)

enzimi: se una reazione è possibile, deve avvenire nei tempi giusti. Inizia una fase che

→

studia tutti gli enzimi. Se una persona ha una malattia, gli enzimi non funzionano, la reazione

avviene lo stesso ma non nei tempi giusti.

- Spazio: il dogma centrale è che la cellula è l’unità fondamentale della vita, ma la cellula non

è un pallone che contiene una fase acquosa; ci sono spazi in cui una reazione deve avvenire,

e se avviene al di fuori del suo spazio, non serve (topologia delle reazioni). I vari

compartimenti sono quindi fondamentali e devono essere rispettati; sono spazi fisici

delimitati da membrane (es. mitocondrio), che possono essere permeabili o no.

L’ultima fase è come avvengono le reazioni: è necessario che arrivino dei segnali, che consentano di

fare avvenire una reazione; ci vogliono delle informazioni, date da molecole. Tutto il sistema di

informazioni è dato dalle molecole. Tutti i messaggi che avvengono, avvengono attraverso molecole.

Ci sono 2 tipi di messaggeri:

- Messaggeri che lavorano da un tessuto verso un altro: ormoni o trasmettitori, detti primi

messaggeri; il tessuto manda delle informazioni a un altro tessuto

- Messaggeri all’interno della cellula: secondi messaggeri, che ricevono informazioni da fuori,

perché una cellula in sé non serve: l’organismo è un sistema olistico, ogni organo lavora

all’interno di un sistema; il nostro organismo è un sistema, fatto da cellule, tessuto e organi.

Il corpo umano è un sistema aperto: scambia continuamente materia con l’esterno, perché essendo

un sistema vitale deve svolgere funzioni vitali, che richiedono un consumo di energia.

Il nostro organismo consuma energia, quindi devo trovare un sistema che crei energia, quindi

dobbiamo importare da fuori della materia; tali molecole che interniamo vengono utilizzate e

rimaneggiate (metabolismo), e produciamo energia necessaria per le funzioni vitali. Nel momento in

cui non c’è più lo scambio, il nostro organismo è destinato a fermarsi; quando si ferma, l’organismo

non scambia più con l’esterno.

Quando noi assumiamo materia, ne restituiamo altra. La quantità di materia che assumiamo

dall’esterno, la restituiamo all’esterno, quando l’organismo è in equilibrio.

- Se si assume più materia e se ne restituisce meno aumento di peso

→

- Se ne assumo meno di quella che utilizzo perdo peso.

→

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Questo concetto dell’omeostasi con l’esterno, consente il mantenimento di un equilibrio. Questo

concetto non vale per i bambini, ad esempio, che devono assumere più energia.

Che cosa introduco dall’esterno?

- Alimenti: assumo dall’esterno delle molecole (carboidrati, lipidi e proteine), che consentono di

produrre l’energia che serve per mantenere le funzioni vitali.

- Vitamine, molecole che non siamo in grado di sintetizzare (amine della vita), ma servono in molte

reazioni.

- Sali, perché sono importanti per i processi, ma non entrano direttamente nel pool della

produzione di energia.

Nel pool di produzione di energia abbiamo solo carboidrati, proteine, lipidi e alcol, che però non è

considerato necessario per la vita.

Assumiamo dall’esterno anche aria:

- 20% di ossigeno; l’ossigeno diventa un substrato delle reazioni di ossidazione

- 80% di azoto (N ), ma non ci serve, quindi lo ributtiamo fuori.

2

Se assumessimo solo ossigeno (atmosfera di ossigeno), probabilmente bruceremmo.

Cosa restituiamo? I residui delle reazioni:

- Ossigeno, in buona parte lo restituiamo; restituiamo CO 2

- Acqua, avanzo delle reazioni (es. ossidazione del glucosio porta a produzione di CO e acqua);

2

l’acqua serve per il mantenimento dei tessuti, ma entra in poche reazioni, mentre viene molto

prodotta nel metabolismo ossidativo, l’ossigeno che agisce come ossidante si riduce ad

acqua.

Gli alimenti generalmente vengono assunti per via orale (posso assumerli anche per via parenterale,

in endovena, se ci sono problemi), e devono essere digeriti. Essi infatti sono costituiti da

macromolecole (carboidrati e proteine essenzialmente), che devono essere frantumate, per essere

messe nel sangue; infatti non possiamo mandare in circolo amido e proteine; i lipidi sono molecole

un po’ più piccole (non macromolecole), ma non sono solubili in acqua, quindi servono sistemi di

trasporto. Quindi dalla digestione si ottengono piccole molecole, che vengono assorbite.

L’assorbimento intestinale (o gastrico, ma poco, es. alcol) porta queste molecole in circolo, e dal

flusso sanguigno queste molecole vanno nei tessuti. Queste molecole all’interno dei tessuti hanno

un primo destino: ricostituire le macromolecole (anabolismo: sintesi di macromolecole); questo

perché le macromolecole non possono essere presenti nel sangue, inoltre quando mi alimento, non

ho bisogno di produrre energia in quello stesso momento, ma ho bisogno di immagazzinare energia;

quindi ho bisogno di riserve energetiche. Queste riserve sono dello stesso tipo: lipidi, carboidrati e

proteine, proprio come gli alimenti che ho assunto, ma sul piano chimico non è detto che siano

uguali a quelle che ho assunto; es. se mangio una bistecca, le proteine che mangio sono diverse da

quelle che costituiamo, oppure l’amido assunto con la pasta non è il glicogeno che noi ricostituiamo.

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Noi ricostituiamo riserve quando queste riserve sono state consumate prima del pasto (es. nella notte

consumo le riserve di glicogeno nel fegato, che ricostituisco quando faccio la colazione). Nel ventre

materno invece l’alimentazione è continua, quindi il metabolismo è diverso.

La quota di molecole alimentari che viene direttamente utilizzata per produrre energia è molto poca,

quindi viviamo essenzialmente grazie alle riserve. Lontano dai pasti, queste riserve devono essere

utilizzate. La fase successiva delle riserve è il catabolismo: demolizione; consente di produrre ATP,

quindi energia (banca energetica). Nel corso del catabolismo produco energia sotto forma di ATP.

Quando rompo un legame, libero l’energia contenuta in quel legame, e se ho un sistema giusto,

posso prendere questa energia e utilizzarla per altre cose; l’ATP è una forma di energia direttamente

utilizzabile. Noi non abbiamo riserve di ATP, o comunque sono minime (nel muscolo ad esempio mi

consente di correre 10 secondi), quindi io devo continuamente produrre ATP. Ci sono organi che

hanno sempre bisogno di energie, es. cuore.

Ci sono 2 tipi di riserve: lipidiche e glucidiche. Le riserve glucidiche sono limitate, e sono contenute

nel fegato e nel muscolo; quelle di tipo lipidico sono potenzialmente illimitate, tant’è che abbiamo

un tessuto deputato all’immagazzinamento delle riserve lipidiche (tessuto adiposo). Il cuore utilizza

quelle lipidiche, perché sono maggiormente disponibili. Chi fa la maratona utilizza prima quelle

glucidiche e poi quelle lipidiche, chi fa la corsa solo quelle glucidiche.

L’ATP ha anche la funzione di ricostituire delle riserve: quando io faccio anabolismo e sintesi di riserve

ho bisogno di ATP, in quanto la sintesi di macromolecole ha bisogno di energia, perché devo

costituire dei legami chimici. L’ATP di solito viene utilizzato per sintetizzare le proteine, oppure viene

usato quando faccio catabolismo ma non utilizzo le molecole, quindi devo rifare anabolismo. Questo

meccanismo avviene quando si è sottoposti a stress.

Il primo organo che risente allo stress è il cuore, che batte più forte, che però mette in circolo i lipidi,

perché per farlo funzionare servono i lipidi. Tali lipidi, se poi non vengono usati, devono essere

utilizzati per risintetizzare macromolecole, utilizzando ATP.

I risultati del catabolismo sono i cataboliti terminali: tutte le cose che restituiamo all’ambiente:

- CO e acqua, prodotte nella fase ossidativa del catabolismo

2

- Urea e ammoniaca (in quantità inferiori): catabolita organico; l’ammoniaca deriva dalle

ammine degli amminoacidi; l’ammoniaca è un gas, quindi volatile, e quindi dobbiamo

trasformarla in urea (i pesci non producono urea)

- Altri cataboliti: ci sono cataboliti che non vengono demoliti in acqua, CO o urea, ma in altre

2

molecole; es. gruppo eme dell’emoglobina viene trasformato in bilirubina, oppure alcuni

aminoacidi (Phe) hanno un catabolismo particolare.

Il catabolismo avviene perché noi introduciamo ossigeno, che serve per fare avvenire le reazioni.

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L’insieme di catabolismo e anabolismo si chiama metabolismo. Nel caso del catabolismo si produce

energia, nel caso dell’anabolismo si utilizza energia.

Inoltre l’organismo deve mantenere la temperatura corporea: ho necessità attraverso il

catabolismo, di produrre calore. Quindi quando demolisco gli alimenti, una quota va a fare ATP, e

una quota va a fare calore. Ci sono degli animali che sono in grado di abbassare la loro temperatura

corporea. I mammiferi a temperatura ambiente hanno 35-37°C, ma ci sono mammiferi, come certi

roditori, che quando in Siberia la temperatura scende a -40°C, abbassano la loro temperatura

corporea a circa 10°C; questo li mette in condizioni tali che il loro consumo energetico è minimo

(letargo); ecco perché gli animali mangiano molto e poi vanno in letargo: durante il letargo

abbassano al minimo le loro funzioni vitali: battito, temperatura corporea. Siccome non andiamo in

letargo dobbiamo produrre calore, che deriva dai processi catabolici: quando rompo un legame

chimico e l’energia di quel legame finisce sulla sinesi di un’altra molecola, abbiamo cessione di calore.

La resa delle reazioni chimiche è del 40%, quindi tutte le reazioni chimiche che derivano dalla rottura

del legame dell’ATP vanno in parte sotto forma di energia e in parte producono calore.

Se ho una situazione patologica in cui produco più calore che energia, non produco abbastanza ATP:

ho la febbre, dolori muscolari (fase acuta). Ci sono situazioni in cui un aumento degli ormoni tiroidei

si abbia maggiore calore e minore energia: chi produce molti ormoni tiroidei ha meno energia e

temperatura più alta, maggiore frequenza cardiaca, calo di peso, perché non ho un’efficienza della

produzione di energia, quindi devo utilizzare più riserve. Quindi gli ormoni tiroidei sbilanciano il

rapporto calore/energia. Non si possono utilizzare gli ormoni tiroidei per dimagrire.

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Per mantenere una corretta omeostasi metabolica occorre mantenere una certa proporzione tra i

macronutrienti. Abbiamo quindi sia un aspetto quantitativo che qualitativo. Quantitativo: devo

mangiare meno e correre di più: se voglio dimagrire mangio meno e corro di più. Funzioni vitali:

involontarie e volontarie. L’insieme di energia che serve per mantenere le funzioni vitali (metabolismo

basale) più quella che serve per fare le cose di tutti i giorni, è quella che devo assumere. Quindi se

mi servono 2500 kcal, devo assumerne 2500; se ne assumo 3000 ingrasso, se ne assumo 2000

dimagrisco. Il metabolismo basale dipende da alcuni fattori, e si calcola con delle misure, oppure con

formule. I fattori che fanno variare il metabolismo basale sono:

- sesso: a parità di peso e di età