Biochimica sistematica umana

Omeostasi del glucosio nel sangue

Regolazione della glicemia

La glicemia è la concentrazione di glucosio nel sangue. La quantità in condizioni fisiologiche è di 90 mg di glucosio per 100 ml di plasma. L'analisi viene fatta sul plasma perché le cellule usano glucosio per il loro metabolismo e potrebbero alterare i reali valori di glicemia.

La glicemia si può misurare:

• Nel siero: in ambito ospedaliero
• Nel plasma: ambito ospedaliero
• Nel sangue: autocontrollo paziente diabetico

Il glucosio viene convertito in GLU-6P e in 6-fosfogluconato con cofattore NAD+/NADH, ma solo la forma ridotta ha un picco a 2,40. Si fanno delle rette di taratura e poi si fa il dosaggio.

Per l'autocontrollo dei pazienti si preleva il sangue a livello capillare e la misura della glicemia è immediata. Sono misure di assorbanza che vanno a misurare la formazione di una molecola colorata, che è un'ossidazione del glucosio. L'ossidazione del glucosio produce perossidasi che converte una molecola cromogeno in una molecola ridotta, che è colorata.

La glicemia è regolata da quattro ormoni:

• Insulina: abbassa glicemia, ormone ipoglicemizzante
• Glucagone: aumenta glicemia, ormone iperglicemizzante
• Adrenalina: aumenta glicemia, ormone iperglicemizzante
• Cortisolo: aumenta glicemia, ormone iperglicemizzante

Insulina e glucagone

Sono entrambi prodotti a livello del pancreas. Il pancreas è una ghiandola esocrina e la sua funzione principale è quella di produrre enzimi e bicarbonato per compiere la digestione a livello intestinale. La maggior parte del pancreas è esocrino, secerne enzimi e NaHCO₃ nel duodeno attraverso il dotto pancreatico. Nella struttura cellulare pancreatica esistono piccoli gruppi di cellule, le isole di Langerhans, che non sono connesse ai dotti e liberano gli ormoni nel circolo sanguigno. L'insieme di questi gruppi di cellule costituisce il pancreas endocrino.

Andamento della glicemia dopo un pasto

In condizioni fisiologiche il valore è intorno a 90, dopo aver mangiato la glicemia sale intorno a 120 e interviene l'insulina (il suo rilascio è indotto da un aumento di glicemia). L'insulina stimola le cellule ad acquisire glucosio, se esso serve per le funzioni metaboliche viene consumato, altrimenti conservato come glicogeno nelle cellule epatiche. In condizioni di digiuno, il glucagone interviene per aumentare la glicemia e stimola a livello epatico il rilascio di glucosio e il rilascio di glucagone. A digiuno, insulina/glucagone diminuisce.

Le scorte di glicogeno riescono a rifornire l'organismo per 24 ore. Quando tali scorte si esauriscono si attua il processo di gluconeogenesi.

Insulina

L'insulina è un ormone peptidico formato da due catene che sono unite da due ponti di solfuro. Essa agisce a livello epatico, a livello del muscolo e dei tessuti periferici. Essa abbassa la glicemia permettendo l'ingresso di glucosio nelle cellule e attiva anche la glucochinasi, impedendo l'uscita del glucosio dalle cellule in quanto è stato convertito in GLU-6P. Il glucosio nel sangue entra attraverso un canale passivo. L'insulina attiva il suo recettore, tramite una trasduzione del segnale il recettore per il glucosio, che è presente in vescicole, viene portato a livello della membrana. L'insulina attiva la glicogeno sintasi.

Esistono diversi tipi di trasportatori del glucosio: GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, GLUT5.

L'esochinasi è un enzima costitutivo che fosforila qualunque zucchero ed è presente ovunque, la sua regolazione è regolata da insulina. La glucochinasi fosforila solo glucosio ed è presente solo a livello del fegato. La K_m dell'esochinasi è decisamente inferiore (0,1 mM) della K_m della glucochinasi (10 mM), l'esochinasi dei tessuti non epatici è dunque più affine al glucosio della glucochinasi. È sufficiente la concentrazione normale di glucosio sanguigno (80-100 mg/dl) per saturare l'esochinasi a farla lavorare alla velocità massima.

Recettore dell'insulina

Il recettore dell'insulina è un recettore transmembrana tirosin-chinasico, attivato dall'insulina, espresso nel fegato, nel muscolo striato e nel tessuto adiposo. Nel fegato e nel muscolo stimola l'ingresso di glucosio (sintesi di glucochinasi) e stimola la sintesi di glicogeno.

Insulinemia

L'insulinemia è il valore di concentrazione di insulina nel sangue. In condizioni normali è tra 43-165 pmol/L. Non si dosa direttamente l'insulina, ma un peptide C. L'insulina viene sintetizzata sotto forma di precursore che, dopo successive modificazioni, dà origine al peptide C e all'insulina.

Glucagone

Il glucagone è un ormone peptidico prodotto dal pancreas, è un iperglicemizzante. A livello epatico stimola la degradazione del glicogeno in glucosio. Ha proprietà di catabolismo, attiva la glicogeno fosforilasi e inattiva la glicogeno sintasi. Il recettore del glucagone è un recettore accoppiato a proteina G, espresso nel fegato, nel muscolo striato e nel tessuto adiposo. Il glucagone attiva una serie di reazioni, a livello epatico, che attivano la glicogeno fosforilasi (fosforilata in presenza di glucagone) rilasciando il glucosio in circolo. La glicogeno fosforilasi si attiva quando viene fosforilata.

Glicogeno

Il glicogeno è il deposito di glucosio, polisaccaride di glucosio presente nei tessuti sotto forma di polimero.

• Glicogenosintesi: produzione di glicogeno
• Glicogenolisi: degradazione di glicogeno per ottenere i monomeri di glucosio

È importante avere le scorte di glicogeno per le condizioni di digiuno. Esso viene accumulato sia a livello epatico che a livello muscolare. Solo quello a livello epatico agisce su tutto l'organismo, mentre il glicogeno muscolare agisce solo a livello del muscolo.

Adrenalina e cortisolo

L'adrenalina (epinefrina) è un ormone che agisce anche come neurotrasmettitore, appartiene alle catecolammine e deriva dalla tirosina. È prodotta dalla midollare del surrene ed è un ormone iperglicemizzante. Il surrene è una ghiandola localizzata sopra i reni e presenta una regione midollare e corticale. A livello midollare avviene la produzione di adrenalina, mentre a livello corticale avviene la produzione di cortisolo.

L'adrenalina nel fegato stimola la demolizione di glicogeno epatico, stessa cosa nel muscolo. Il glicogeno si trova anche nel muscolo ma solo il fegato possiede l'enzima GLU-6P fosfatasi, capace di formare glucosio libero che liberato nel sangue alza la glicemia. L'adrenalina è l'ormone dello stress: aumenta la glicemia agendo sul glicogeno epatico. Agisce come il glucagone (sull'adenilato ciclasi), sul fegato aumenta la glicemia, ma anche sul muscolo (demolisce il glicogeno) diversamente dal glucagone, però il glucosio rimane dentro al muscolo e non può alzare la glicemia.

Cortisolo

Il cortisolo è un ormone steroideo, viene prodotto dalla regione corticale del surrene ed è un ormone iperglicemizzante. Interviene in condizione di digiuno prolungato, promuovendo la sintesi ex-novo di glucosio, a partire da precursori non zuccherinici (gluconeogenesi). Attiva enzimi che lavorano al contrario della glicolisi.

Indice glicemico

L'indice glicemico indica la velocità con cui aumenta la glicemia in seguito all'assunzione di un quantitativo dell'alimento contenente 50 g di carboidrati rispetto a uno standard di riferimento che è il glucosio puro. Un cibo con un punteggio dell'indice glicemico alto produce un grande picco momentaneo di glucosio dopo il suo consumo. Al contrario, un alimento con un basso indice glicemico provoca un'elevazione del glucosio nel sangue più lenta e sostenuta.

Scala valori Indice glicemico:

• Fino a 40: IG molto basso
• Da 41 a 55: IG basso
• Da 56 a 69: IG moderato
• Da 70 in su: IG alto

Fisiopatologia dell'omeostasi del glucosio

L'organizzazione della glicemia è importante per l'energia necessaria al cervello, in quanto non è in grado di ottenere energia da altre forme. Il fabbisogno di glucosio del cervello giornaliero è di 100-120 g di glucosio. Il range normale di glicemia nel plasma è tra 70 e 110 mg/100 ml, che deve essere misurata al mattino a digiuno e il materiale su cui si misura la glicemia è il plasma o il siero e non sangue.

• La glicemia sale dopo tutti i pasti ed è molto oscillante, pertanto non è possibile fare una misurazione attendibile nell'arco della giornata. L'unico momento in cui la glicemia tende a stabilizzarsi è durante la notte e per questo che al mattino la glicemia raggiunge un livello basale.
• Il plasma è il quido in cui sono sospese le cellule del sangue. Il plasma è ottenuto dal sangue a cui si aggiunge un anticoagulante, es. citrato o eparina. Il sangue viene quindi centrifugato per separare il plasma dalle cellule. Per ottenere il siero, il sangue viene lasciato coagulare, e poi centrifugato per separare la fase liquida dalla parte corpuscolare. Rispetto al plasma, il siero non contiene alcune proteine della coagulazione, principalmente il fibrinogeno.
• Le cellule che stanno nel sangue usano glucosio per il loro metabolismo e consumano glucosio, per questo che non si usa il sangue per il rilevamento della glicemia.

Diabete

La forma principale di diabete è la mancata funzione dell'insulina (che aumenta la glicemia). La glicemia non può salire all'infinito, in quanto a livello del rene avviene una regolazione dell'espulsione del glucosio, ciò si verifica quando la glicemia sale sopra 180 mg/100 ml. Il glucosio quando esce con le urine, trascina tanta acqua portando a un aumento del volume delle urine.

Definizione del diabete di tipo I

Il diabete mellito viene definito dalla presenza di una iperglicemia cronica, secondaria a un difetto di produzione e/o azione dell'insulina. L'iperglicemia cronica induce una serie di complicanze sistemiche che interessano in particolare occhi, reni, sistema cardiovascolare e sistema nervoso.

I markers del metabolismo glicidico

• Glicemia: variazioni fisiologiche (a digiuno 70-110 mg/dl; aumento post-prandiale, generalmente <140 mg/dl; diminuzione con l'esercizio fisico)
• Glicosuria: presenza di glucosio nelle urine, generalmente patologica, si verifica quando viene superata la soglia di riassorbimento renale del glucosio (circa 180 mg/dl); se abbondante determina aumento del volume urinario: poliuria
• Emoglobina glicosilata (HbA1c): frazione dell'emoglobina capace di legare il glucosio, utilizzata come marker dei valori medi di glicemia nelle ultime settimane

Se il glucosio in circolo è troppo, esso va a legarsi con delle proteine.

Curva da carico orale di glucosio

Si utilizza per accertare la predisposizione al diabete o la sua presenza non conclamata. È controindicata in soggetti a diabete conclamato. Il soggetto deve essere a digiuno da 12 ore, gli vengono somministrati 75 mg di glucosio in 300/500 ml di acqua e ogni 30 minuti vengono presi i parametri di glicemia ottenendo così una curva. In un individuo diabetico il glucosio supera i 180 mg.

La glicemia viene misurata sia in ospedale che a casa, usando delle reazioni enzimatiche, dove si usa la glucosio ossidasi (GOD). Il glucosio viene ossidato ad acido gluconico con produzione stechiometrica di perossido di idrogeno. La reazione della GOD viene accoppiata alla perossidasi (POD). Il perossido viene scisso dalla POD in presenza di un accettore di O₂ che si trasforma in un derivato colorato, la cui quantità viene determinata colorimetricamente (assorbanza).

Sono anche di uso comune piccoli strumenti dedicati, che si possono considerare come dei biosensori, selettivi per il glucosio con i quali è possibile rilevare molto rapidamente il valore della glicemia; vengono utilizzati correntemente e personalmente dai soggetti diabetici.

Biosensore

È un dispositivo analitico che utilizza un mediatore biologico per rilevare selettivamente e con molta sensibilità, analiti chimici o biologici. Ciò viene solitamente ottenuto accoppiando il mediatore biologico a un opportuno sistema di trasduzione, il quale converte la risposta biochimica in un segnale fisico quantificabile e processabile. Le proteine che sono più soggette a queste reazioni sono quelle più abbondanti. Le proteine più esposte a queste reazioni sono quelle che stanno in circolo, tra queste l'emoglobina, quelle dell'endotelio vascolare.

L'emoglobina glicosilata non crea danni, il suo intervallo normale è tra il 4-6%.

Modifiche delle proteine indotte dal glucosio: la reazione di Maillard

Per reazione di Maillard si intende una serie complessa di fenomeni che avviene a seguito dell'interazione di zuccheri e proteine durante la cottura. I composti che si formano con queste trasformazioni sono bruni e dal caratteristico odore di crosta di pane appena sfornato. Le reazioni sono piuttosto complesse e eterogenee, ma attraverso la formazione di un intermedio (composto Amadori) si formano diverse sostanze quali le melanoidine dall'odore e dal colore caratteristico.

La reazione può essere suddivisa in tre fasi principali:

1. Formazione di una base di Schiff tramite reazione del carbonio carbonilico dello zucchero con un gruppo amminico di un amminoacido, con la conseguente formazione di una glicosilammina.
2. In questa fase si possono avere un gran numero di reazioni che sono influenzate da fonti come la temperatura e il pH.
3. Si formano a questo stadio le melanoidine, sostanze colorate in giallo-bruno, a contenuto di azoto variabile poiché possono derivare da composti diversi, ad alto peso molecolare ed insolubili.

La via dei polioli

Il glucosio può essere convertito in sorbitolo nella maggioranza delle cellule dall'enzima aldoso-reduttasi, che può utilizzare gli esosi come substrato per la riduzione, attraverso il NADPH, ai loro rispettivi alcool zuccheri (polioli). In corso di iperglicemia cronica si attiva l'aldoso reduttasi che fa accumulare sorbitolo nei tessuti abbassando i livelli di mioinositolo può determinare un'alterazione dei segnali intracellulari.

Alterazioni biochimiche dei tessuti secondarie all'iperglicemia cronica

• Glicosilazione di numerosi proteine cellulari e extracellulari
• Emoglobina glicosilata e fruttosamina circolanti (markers di equilibrio glicemico)
• Glicosilazione di collagene e proteine a lunga vita con formazione di complessi AGE (Advanced Glycation End-products) che alterano la matrice vascolare → contribuiscono a microangiopatia/glomerulopatia
• Stress ossidativo
• Aumentata produzione di ione superossido a livello della catena respiratoria mitocondriale, di radicali liberi
• Disfunzione endoteliale che favorisce l'ateroma e le sue complicanze
• Aumentata produzione di sorbitolo (via dei polioli)
• Glucosio → sorbitolo poco diffusibile → rigonfiamento cellulare osmotico es: cataratta

Le complicanze del diabete

• La microangiopatia diabetica: alterazioni specifiche del microcircolo, retinopatia, nefropatia e neuropatia diabetiche
• La macroangiopatia diabetica: ateromatosi precoce e diffusa → complicanze cardiovascolari
• Altre complicanze: aumentata sensibilità alle infezioni, cataratta, piede diabetico

La microangiopatia diabetica

1. La retinopatia diabetica: retinopatia semplice → proliferativa, altre complicanze visive: glaucoma, cataratta… "oftalmopatia diabetica" complessa con calo del visus
2. La nefropatia diabetica: glomerulopatia diabetica → IRC progressiva, fattori aggravanti: macroangiopatia e ipertensione
3. La neuropatia diabetica: Patogenesi mista: microangiopatia + danni metabolici diretti (polioli, alterazioni della mielina…)

Presentazione clinica del diabete di tipo 1

Rappresenta <10% dei casi di diabete. È una patologia dell'età evolutiva → essenzialmente bambini e adolescenti, più raramente adulti giovani (90%<20 anni). Sono tipicamente magri, ma con l'aumento dell'obesità infantile fino a 20-25% dei nuovi casi sono obesi. Esordio tipicamente subacuto/acuto.

• Subacuto: poliurodipsia, dimagrimento
• Acuto: cheto-acidosi

La carenza insulinica determina l'incapacità delle cellule (in particolare adipose e muscolari) ad utilizzare il glucosio, con due conseguenze immediate:

1. Accumulazione di glucosio nel plasma → iperglicemia marcata: superamento della soglia renale di riassorbimento, glicosuria → poliuria
2. Utilizzo di fonti alternative di energia: riserve lipidiche → perdita di massa magra, riserve proteiche → perdita di massa magra (muscolare)

Nella cheto-acidosi diabetica si associano carenza insulinica e iperproduzione di glucagone.

Fisiopatologia del diabete di tipo 2

Caratterizzato da due elementi essenziali:

• Insulino-resistenza: inadeguata utilizzazione del glucosio da parte delle cellule, che non rispondono normalmente alla stimolazione insulinica, il difetto può essere di tipo pre-recettoriale, recettoriale o post-recettoriale.
• Difetto della beta-cellula: anche se inizialmente relativo (la secrezione insulinica è a lungo conservata).