Introduzione: La sintesi dei carboidrati è un processo fondamentale per la vita, sia negli esseri umani che nelle piante. Questi composti organici sono essenziali per fornire energia e per la costruzione di strutture cellulari. In questo articolo esploreremo i vari luoghi e meccanismi attraverso i quali i carboidrati vengono sintetizzati, con particolare attenzione al ruolo del fegato, alla fotosintesi nelle piante, alla gluconeogenesi e al ciclo di Calvin.
Con l'alimentazione introduciamo un insieme di glucidi, lipidi, proteine che verranno trasformate in molecole semplici nell'apparato digerente per seguire successivamente strade diverse in base alle necessità dell'organismo. Possiamo riassumere nel seguente schema le principali vie metaboliche, che sono pressoché uguali in tutti gli organismi e ciascuna delle quali richiede enzimi specifici.
Metabolismo dei Glucidi
Gli organismi eterotrofi ricavano energia soprattutto dai carboidrati. Con la dieta introducono principalmente polisaccaridi o disaccaridi, che devono essere ridotti in zuccheri semplici, soprattutto glucosio. Questa molecola rappresenta l'unica fonte energetica del cervello e dei globuli rossi umani. Le cellule richiedono continuamente glucosio ma l'alimentazione non è continua. Per questo il glucosio è coinvolto in diversi processi per la sua biosintesi o degradazione.
Vie Metaboliche del Glucosio
Il glucosio ha un ruolo centrale nel metabolismo di tutti gli organismi. In condizioni nutrizionali normali il cervello dei mammiferi trae l’energia esclusivamente dal glucosio, e durante uno sforzo muscolare intenso i muscoli lo degradano per sostenere la loro attività.
- Glicolisi, fermentazione, Ciclo di Krebs: Di queste tre vie cataboliche abbiamo già trattato ampiamente in precedenza.
- Via del pentoso fosfato: Si tratta di una via parallela alla glicolisi in cui il glucosio 6-fosfato (prima tappa della glicolisi), mediante l'ossidazione di un carbonio, viene trasformato in un pentoso (ribosio 5-fosfato) liberando CO2 e producendo NADPH nei tessuti dove c'è sintesi di acidi grassi. Il ribosio 5-fosfato non è impiegato per produrre ATP ma nella sintesi di acidi grassi, alcuni nucleotidi, colesterolo e coenzimi. Partecipa anche alla formazione del glucosio nella fotosintesi. La via è attiva soprattutto nel tessuto adiposo e in quelle cellule che si riproducono rapidamente come quelle del midollo osseo e tumorali.
- Glicogenolisi: La glicogenolisi è l'idrolisi enzimatica del glicogeno presente nelle cellule del fegato e dei muscoli. L'enzima glicogeno fosforilasi stacca i monomeri terminali di glucosio 1-fosfato dal glicogeno (nelle ramificazioni interviene l'enzima deramificante) e poi glucosio 6-fosfato, ottenendo molecole già attivate perciò non è richiesto l'intervento dell'ATP.
- Glicogenosintesi: La glicogenosintesi, o glicogenesi, è la via anabolica che polimerizza il glucosio in glicogeno negli animali, con consumo di energia. Nel fegato rappresenta una fonte di riserva del glucosio mentre nei muscoli scheletrici è impiegato per produrre ATP. Nel citosol delle cellule epatiche e muscolari il glucosio 6-fosfato in eccesso, ottenuto nella prima tappa della glicolisi, è prima convertito in glucosio 1-fosfato e poi, con specifici enzimi, aggiunge monomeri alla catena di glicogeno preesistente con legami a-1-4 e, con l'enzima ramificante, in a-1-6.
- Gluconeogenesi: La gluconeogenesi, è un processo endoergonico di sintesi di glucosio nel citoplasma delle cellule del fegato, dei muscoli e dei reni a partire da molecole non glucidiche come l'acido piruvico, gli amminoacidi ecc., percorrendo parzialmente in senso inverso la glicolisi, quando le riserve di glucosio sono esaurite. Anche l'acido lattico proveniente dai muscoli, quando l'organismo dispone di quantità sufficienti di ossigeno per pagare il "debito di ossigeno", è riconvertito in glucosio e poi portato nel fegato dove viene trasformato in glicogeno. Questa via metabolica è sostenuta dalla ß-ossidazione degli acidi grassi, in quanto fornisce ATP, NADH e acetil-CoA.
- Fotosintesi: Anche di questa via ne abbiamo discusso ampiamente.
Ruolo del Fegato
Il fegato è un organo centrale nel metabolismo dei carboidrati negli esseri umani e in molti animali. Una delle sue funzioni principali è la sintesi e il rilascio di glucosio nel sangue, un processo noto come gluconeogenesi. Il fegato sintetizza anche il glicogeno, una forma di immagazzinamento del glucosio. Durante i periodi di abbondanza di nutrienti, il glucosio in eccesso viene convertito in glicogeno e immagazzinato nel fegato. Oltre alla gluconeogenesi e alla glicogenesi, il fegato svolge un ruolo chiave nella regolazione dei livelli di insulina e glucagone, due ormoni che controllano il metabolismo dei carboidrati. Il fegato è anche coinvolto nella sintesi di altri carboidrati complessi, come i glicosaminoglicani, che sono componenti essenziali della matrice extracellulare e delle membrane cellulari.
Leggi anche: Consigli per torta low carb
Fotosintesi
La fotosintesi è il processo mediante il quale le piante, le alghe e alcuni batteri convertono l’energia solare in energia chimica sotto forma di carboidrati. Questo processo avviene nei cloroplasti, organelli presenti nelle cellule vegetali. Durante la fase luminosa, l’energia solare viene catturata dai pigmenti fotosintetici, come la clorofilla, e convertita in energia chimica sotto forma di ATP e NADPH. La fase oscura, nota anche come ciclo di Calvin, è dove avviene la vera e propria sintesi dei carboidrati. L’anidride carbonica viene fissata in una serie di reazioni chimiche che portano alla formazione di glucosio e altri zuccheri. La fotosintesi non solo fornisce energia alle piante, ma è anche la fonte primaria di ossigeno nell’atmosfera terrestre. Senza la fotosintesi, la vita aerobica non sarebbe possibile.
Gluconeogenesi
La gluconeogenesi è il processo mediante il quale il corpo sintetizza glucosio a partire da precursori non carboidrati, come aminoacidi, lattato e glicerolo. Questo processo avviene principalmente nel fegato e, in misura minore, nei reni.
- Il processo di gluconeogenesi è regolato da una serie di enzimi chiave, tra cui la piruvato carbossilasi, la fosfoenolpiruvato carbossichinasi, la fruttosio-1,6-bisfosfatasi e la glucosio-6-fosfatasi.
- La gluconeogenesi è strettamente regolata dagli ormoni. L’insulina, ad esempio, inibisce la gluconeogenesi, mentre il glucagone e l’adrenalina la stimolano.
Oltre a fornire glucosio durante i periodi di digiuno, la gluconeogenesi è anche importante per la rimozione del lattato dal sangue.
Per garantire la continuità di approvvigionamento di glucosio ai tessuti che ne hanno bisogno, si utilizza una strategia che converte le molecole meno mobili in glucosio: la gluconeogenesi. La gluconeogenesi è fondamentale per garantire un adeguato apporto di glucosio ai tessuti insulinoindipendenti (cervello, globuli rossi e muscoli durante l'esercizio fisico intenso). Dei vari amminoacidi gluconeogenetici (tra cui acido glutammico ed aspartico, alanina, cisteina glicina, prolina, serina, treonina), l'alanina liberata dal muscolo scheletrico gioca un ruolo predominante (vedi ciclo glucosio-alanina). Sette reazioni su dieci della glicolisi avvengono in verso opposto rispetto alla gluconeogenesi; se la gluconeogenesi fosse l'esatto inverso della glicolisi, in ogni tappa, sarebbe necessario fornire energia.
Supponiamo di svolgere attività fisica e di essere lontano dai pasti, è necessario attivare il metabolismo del glucosio per produrre energia. Se la glicemia nel sangue è minore di 5 mM allora si concretizza il segnale di fabbisogno di glucosio: le cellule α del pancreas rilasciano un ormone (è un piccolo dipeptide) il glucagone che, tramite il sangue, raggiunge gli epatociti (fegato); qui viene attivata la via gluconeogenetica e bloccata la glicolisi. Il glucosio neoformato verrà rilasciato in circolo e veicolato soprattutto a globuli rossi, sistema nervoso e tessuto muscolare.
Leggi anche: Quali sono i carboidrati "cattivi"?
Ciclo di Calvin
Il ciclo di Calvin, noto anche come ciclo delle reazioni oscure della fotosintesi, è il processo mediante il quale le piante fissano l’anidride carbonica per sintetizzare carboidrati.
- Il ciclo di Calvin inizia con la fissazione dell’anidride carbonica da parte dell’enzima ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (RuBisCO).
- Le molecole di 3-fosfoglicerato vengono poi ridotte a gliceraldeide-3-fosfato (G3P) utilizzando ATP e NADPH.
Il ciclo di Calvin è essenziale per la sintesi dei carboidrati nelle piante, e quindi per la produzione di energia e biomassa.
Enzimi Chiave
Gli enzimi sono proteine che catalizzano le reazioni chimiche necessarie per la sintesi dei carboidrati. La RuBisCO è l’enzima più abbondante sulla Terra e gioca un ruolo cruciale nella fissazione dell’anidride carbonica durante il ciclo di Calvin. La piruvato carbossilasi e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi sono coinvolte nella gluconeogenesi, convertendo il piruvato in fosfoenolpiruvato. La fruttosio-1,6-bisfosfatasi e la glucosio-6-fosfatasi sono altri enzimi chiave nella gluconeogenesi.
Metabolismo dei Lipidi
I lipidi, in particolare i trigliceridi, sono una importante fonte energetica negli animali e nelle piante superiori perché possono essere immagazzinati in grande quantità nei tessuti in forma anidra e liberano un'energia più che doppia rispetto ai glucidi.
Lipolisi
Quando l'organismo affronta un digiuno prolungato mobilizza i trigliceridi presenti nel tessuto adiposo. I lipidi vengono innanzitutto emulsionati e poi idrolizzati dall'enzima lipasi in acidi grassi e glicerolo nel citosol dei muscoli e del miocardio.
Leggi anche: Approfondimento sulla formula dei carboidrati
Ossidazione del Glicerolo
Il glicerolo è prima attivato dall'ATP e poi convertito in gliceraldeide 3-fosfato (G3P), ossidato dal NAD+ in diidrossiacetone fosfato, intermedio della glicolisi, con formazione di NADH + H+. Questa molecola può essere trasformata in acido piruvico ed entrare nel ciclo di Krebs oppure in glicogeno nel fegato (via metabolica dei glucidi).
Ossidazione degli Acidi Grassi
Gli acidi grassi subiscono la demolizione catabolica, detta ß-ossidazione, secondo le seguenti tappe:
- Gli acidi grassi sono attivati dall'unione con il CoA e formano acil-CoA (reazione endoergonica).
- Sono poi trasportati nella matrice del mitocondrio da un complesso proteico, la carnitina, dove ha luogo l'ossidazione in quattro reazioni successive:
- ossidazione dell'acil-CoA da parte del FAD,
- idratazione,
- ossidazione da parte del NAD+,
- idrolisi e formazione di una molecola di acetil-CoA e una di acil-CoA con due carboni in meno.
Le molecole di acetil-CoA prodotte entrano nel ciclo di Krebs, sempre nella matrice mitocondriale, e sono ossidate a CO2. L'inserimento è condizionato dalla presenza adeguata di acido piruvico proveniente dalla glicolisi.
Gli elettroni derivanti dall'ossidazione entrano nella catena respiratoria trasportati dal NADH e FADH2 e riducono l'ossigeno in acqua e liberano energia per la sintesi di ATP.
La ß-ossidazione degli acidi grassi comporta un ricavo energetico di 44 APT contro 36 ATP derivanti dalla degradazione del glucosio e quindi è la fonte energetica della maggior parte dei tessuti.
Chetogenesi
Una parte dell'acetil-CoA prodotto dall'ossidazione degli acidi grassi, invece di entrare nel ciclo di Krebs è trasformata in corpi chetonici: acetoacetato, ß-idrossibutirrato e acetone, che sono importanti fonti energetiche per i tessuti periferici quando c'è carenza di glucosio o un suo alterato metabolismo. Il processo avviene nei mitocondri delle cellule epatiche e i prodotti sono utilizzati nel cuore, nei muscoli e nel cervello. Questo processo permette di liberare CoA rendendolo disponibile per i processi che lo richiedono.
Lipogenesi
L'acetil-CoA è il punto di arrivo della demolizione degli acidi grassi - ma può derivare anche dal metabolismo di glucidi e proteine - e il punto di partenza per la loro sintesi (tranne per gli acidi grassi essenziali).
La lipogenesi è la conversione dell'eccesso di glucosio in acidi grassi. Si attua principalmente nel tessuto adiposo, ma anche nel fegato, a partire dall'acetil-CoA con un processo inverso a quello della degradazione, ma le reazioni si svolgono in comparti diversi della cellula: nel citosol delle cellule animali e nel cloroplasto di quelle vegetali. Ulteriori modifiche avvengono nel reticolo endoplasmatico liscio. Il processo richiede una grande quantità di energia libera immagazzinata nell'ATP.
Il processo consiste in:
- condensazione di molecole di acetil-CoA,
- riduzione mediante NADPH,
- disidratazione,
- ulteriore riduzione dal NADPH.
Gli acidi grassi non si accumulano nella cellula ma, appena formati o assunti, sono incorporati nei trigliceridi e nei fosfolipidi e accumulati nel tessuto adiposo ma anche nei semi e nei frutti di molte piante. Questo impedisce l'azione detergente degli acidi grassi liberi.
Col termine lipogenesi intendiamo la parte del metabolismo lipidico che prevede sintesi di acidi grassi. La lipogenesi avviene nel citoplasma, ma l’acetil-CoA si trova all’interno del mitocondrio: l’acetil-CoA deve, quindi, essere trasferito nel citosol. Questo passaggio non può avvenire direttamente, ma avviene una reazione di condensazione (unione) tra acetil-CoA e ossalacetato per dare citrato. Questa molecola subisce 7 reazioni tutte a carico dello stesso enzima (acido grasso sintasi), che presenta più siti catalitici. Per fare questo l’acetil-CoA deve uscire dal mitocondrio (in realtà è il citrato a fuoriuscire) attraverso un processo ATP dipendente. Per de novo lipogenesi si intende la sintesi di acidi a grassi a partire da uno specifico substrato: il glucosio (o suoi derivati metabolici).
Metabolismo delle Proteine e degli Amminoacidi
Le proteine rappresentano circa il 15% del peso di un individuo adulto. Esse devono continuamente essere rinnovate in sostituzione di quelle danneggiate e, inoltre, sono importanti componenti di regolazione. Le proteine non formano accumuli di riserva energetica nei tessuti o negli organi come per il glicogeno o i trigliceridi tuttavia in caso di denutrizione o di alimentazione esclusivamente proteica possono essere utilizzate per produrre energia.
Proteolisi
Le proteine introdotte con la dieta hanno una composizione diversa in amminoacidi rispetto a quelle presenti nell'organismo, perciò devono essere idrolizzate in oligopeptidi e poi in amminoacidi da enzimi specifici (proteasi) prodotti dallo stomaco, dal pancreas e dal duodeno. La proteolisi avviene all'interno dei lisosomi, in particolare nel fegato e muscoli.
Le proteine sono in seguito ricostruite in base alle necessità, mentre gli amminoacidi in eccesso sono catabolizzati a scopo energetico.
Ricordiamo che gli amminoacidi hanno uno scheletro carbonioso e un gruppo amminico, che seguono vie metaboliche diverse.
Metabolismo del Gruppo Amminico degli Amminoacidi
La prima reazione del metabolismo degli amminoacidi consiste nella transaminazione di -NH2, cioè il suo trasferimento, grazie alle transaminasi, a un chetoacido (in genere all'acido a-chetoglutarico, prodotto intermedio del ciclo di Krebs) con formazione di una molecola di acido glutammico e una di un nuovo a-chetoacido.
Le reazioni di transaminazione sono molto importanti perché permettono l'interconversione degli amminoacidi secondo le richieste dell'organismo, oppure sono utilizzati per produrre energia.
L'acido glutammico entra nei mitocondri delle cellule epatiche e renali, dove può subire la deaminazione ossidativa, cioè la rimozione diretta del gruppo amminico per rigenerare l'acido a-chetoglutarico e liberare una molecola di NH3.
L'ammoniaca, molecola tossica per la cellula, può essere trasformata ed eliminata direttamente sotto forma di ione ammonio o dopo essere stata convertita in un altro composto azotato come l'acido urico o l'urea a seconda della specie animale.
L'a-chetoacido può entrare nel ciclo di Krebs, può essere trasformato in gliocogeno o grassi, può servire alla biosintesi di molecole mediante transaminazione.
Metabolismo dello Scheletro Carbonioso degli Amminoacidi
Lo scheletro carbonioso rimasto dopo la transaminazione è demolito principalmente nel fegato con vie metaboliche proprie di ciascun amminoacido e utilizzato per produrre energia nelle seguenti modalità.
Alcuni amminoacidi sono convertiti in acido piruvico o composti intermedi del ciclo di Krebs e quindi seguono la via della gluconeogenesi (amminoacidi glucogenici).
Un'altra parte è convertita in acetoacetato e sono quindi chetogenici, cioè formano corpi chetonici o intermedi convertiti in acetil-CoA e seguire le vie metaboliche in cui è coinvolto (es. acidi grassi).
Infine, alcuni possono seguire l'una o l'altra via secondo le esigenze dell'organismo.
Decarbossilazione degli Amminoacidi
La decarbossilazione, cioè la rimozione del gruppo -COOH, è la terza via del catabolismo degli amminoacidi e produce la corrispondente ammina, con liberazione di CO2.
Sintesi Proteica
Le proteine sono continuamente sintetizzate dai ribosomi nel reticolo endoplasmatico rugoso (e il processo sarà trattato in altra sezione).
Sintesi di Amminoacidi Non Essenziali
Gli amminoacidi non essenziali sono sintetizzati a partire da composti intermedi della glicolisi e del ciclo di Krebs, mediante transaminazione del gruppo -NH2 da un amminoacido disponibile a un chetoacido che produrrà l'amminoacido di cui c'è necessità.
La sintesi riguarda soprattutto piante e microrganismi perché negli animali una dieta corretta contiene gli amminoacidi necessari.
Il cervello ha bisogno di zuccheri: i neuroni lavorano quasi esclusivamente a glucosio, perciò è necessario garantire un apporto continuo di questo zucchero. Nel nostro corpo circa 100 g di glucosio sono immagazzinati sotto forma di glicogeno nel fegato, altri 5-10 g si trovano nei fluidi biologici, mentre circa 200-300 g sono depositati nel muscolo, sempre sotto forma di glicogeno.
I carboidrati costituiscono la maggiore fonte di energia di un organismo. Lo zucchero più utilizzato in qualità di combustibile nella cellula è il glucosio.
Se un organismo si trova in condizione di necessità e le risorse di glucosio sono esaurite, per esempio durante stati di digiuno o sforzi intensi, la cellula è in grado di sintetizzare il glucosio attraverso il processo della gluconeogenesi.
La concentrazione del glucosio nel sangue è mantenuta costante dall’azione del fegato.
Il glucosio proveniente dagli alimenti si forma dall’idrolisi dell’amido, del glicogeno, del saccarosio e del lattosio nel corso della digestione.
I carboidrati complessi, come l’amido e il glicogeno, sono inizialmente convertiti in carboidrati più semplici dall’enzima a-amilasi salivare nella cavità orale e, in seguito, nell’intestino tenue dall’a-amilasi pancreatica.
L’energia necessaria alla cellula può essere estratta dal glucosio mediante la glicolisi, attraverso la quale questo composto è ossidato a piruvato.
Se la glicolisi opera in condizioni anaerobiche si ha la fermentazione.
tags: #biosintesi #dei #carboidrati #processo