Metabolismo Biochimico del Glucosio: Un Approfondimento

Siccome termini come “glicolisi”, “gluconeogenesi” o “glicogenosintesi” sono centrali per comprendere le dinamiche della composizione corporea è bene dedicare un approfondimento al metabolismo glucidico. Come sempre cerchiamo di dare un taglio scientifico ma comprensibile in modo che rimangano i concetti chiave. Iniziamo!

Metabolismo Glucidico: Le Basi da Sapere

Le cellule intestinali sono in grado di assorbire solo monosaccaridi (come il glucosio, il fruttosio o il galattosio) mentre quelli introdotti con la dieta sono spesso disaccaridi o polisaccaridi (come il lattosio o l’amido). Di conseguenza gli zuccheri introdotti con la dieta devono essere dapprima scomposti a monosaccaridi e poi assimilati. Discorso diverso, invece, per le fibre (come la lignina o la cellulosa) che non sono intaccate dagli enzimi digestivi e vengono eliminate con le feci.

La presenza di fibre nella dieta è, comunque, importante in quanto richiamano acqua e favoriscono la progressione del bolo alimentare nel tratto digerente. I monosaccaridi scomposti dagli enzimi o ingeriti come tali vengono assorbiti dall’intestino e riversati nel sangue. L'assorbimento del glucosio è molto rapido e nell'adulto può raggiungere la velocità di 1g per kg di peso corporeo all'ora e ha velocità abbastanza costante.

Dal sangue il glucosio viene portato al fegato dove a seconda dello stato nutrizionale e delle esigenze metaboliche verrà convertito in glicogeno o acidi grassi, mentre gli altri monosaccaridi saranno convertiti in glucosio (che diventa, quindi, la molecola “centrale” nel metabolismo glucidico). Questo processo tende a far salire la glicemia nel giro di 40’-60’ dall’ultimo pasto per poi tornare a valori fisiologici (grazie ad ormoni come l’insulina) nel giro di un paio d’ore.

Il trasporto di glucosio attraverso le membrane cellulari è passivo e avviene grazie a 5 trasportatori (carrier) chiamati GLUT 1, 2, 3, 4 e 5 (nella Tabella 1 un riassunto delle loro funzioni). I GLUT 1 e 4 sono tipici dei tessuti muscolare e adiposo e sono sensibili all’insulina che ne stimola il passaggio dall’interno all’esterno della membrana.

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Riassunto dei GLUT (GLUcose Transporters) e delle relative funzioni

Da “Biochimica medica”, Siliprandi & Tettamanti - Piccin Nuova Libraria IV ed.

Carrier	Tessuto	Note
GLUT1	Muscolo, Cuore, Globuli rossi, Cervello, Placenta, Barriera ematoencefalica, Colon	Nei muscoli è stimolato dall’insulina, dall’ipossia e dallo stato alimentare Carrier ad alta affinità
GLUT2	Fegato, Pancreas, Intestino tenue, Rene	Nel fegato ha capacità di trasporto bidirezionale. Nel pancreas funge da “sensore” di glucosio nel sangue. Ha elevata capacità di trasporto, ma bassa affinità
GLUT3	Cervello, Rene, Placenta	Carrier ad alta affinità
GLUT4	Muscolo, Cuore, Tessuto adiposo	Nei muscoli e nel tessuto adiposo è stimolato dall’insulina, dall’ipossia e dallo stato alimentare Carrier ad alta affinità
GLUT5	Muscolo scheletrico, Spermatozoi	Ha più affinità per il fruttosio

Metabolismo Glucidico: Il Glucosio

Il glucosio rappresenta la principale fonte energetica per gran parte dei tessuti tanto che l’organismo è in grado di produrlo anche se non viene introdotto con l’alimentazione. Il metabolismo del glucosio porta alla formazione di:

1. energia sottoforma di ATP
2. NADH (glicolisi anaerobica) e NADPH (nel ciclo dei pentoso fosfati)
3. metaboliti poi utilizzati per formare altri composti (aminoacidi o lipidi)

Il passaggio del glucosio dal sangue alle cellule avviene attraverso i GLUT perché, non essendo lipofilo, il glucosio non potrebbe attraversare la membrana fosfolipidica. Nel fegato, cervello e globuli rossi (tutti tessuti di vitale importanza) il passaggio è indipendente dall'insulina (in modo da approvvigionare glucosio in ogni caso) e quindi dipende solo dai valori glicemici, mentre nel tessuto muscolare e adiposo dipende dall'insulina.

Per essere utilizzato, il glucosio deve essere trasformato in G6P (Glucosio 6 Fosfato) e gli enzimi che compiono questa reazione sono le esochinasi e la glucochinasi, dipendente dal Mg⁺. La reazione inversa (da G6P a glucosio) è possibile solo grazie ad un altro enzima, la G6P fosfatasi presente nel fegato, rene e intestino.

Una caratteristica delle esochinasi è che possono inibire la conversione di glucosio in G6P in modo che quando questo ha raggiunto nella cellula un valore limite (una saturazione) la sua conversione si blocchi e il glucosio possa essere utilizzato da altri tessuti più bisognosi.

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La glucochinasi (chiamata anche esochinasi 4) differisce dalle altre esochinasi in quanto:

1. è presente solo nel fegato
2. non è inibita dalla G6P fosfatasi
3. ha specificità assoluta per il glucosio

Questo significa che quando le altre esochinasi hanno legato tutti i monosaccaridi disponibili e sono già sature, le glucochinasi possono ancora legare glucosio. Siccome nel fegato ci sono sia esochinasi che glucochinasi, ad alte quantità di glucosio, quando le prime si sono saturate le seconde possono ancora legarne e questo dà al fegato la peculiarità di acquisire molto più glucosio rispetto agli altri tessuti. La quantità di glucochinasi epatica è legata all'età, alla dieta glucidica (che la stimola) e all’insulina (che la stimola).

Grazie all'azione combinata della glucochinasi e della G6P fosfatasi il fegato agisce come recettore del glucosio in grado di immagazzinarlo in condizioni di abbondanza e rilasciarlo in condizioni di scarsità. Il destino metabolico del G6P può seguire queste vie:

1. glicolisi
2. ciclo dei pentoso fosfati
3. trasformazione in glicogeno
4. ritrasformazione in glucosio (solo nel fegato, rene e intestino che hanno G6P fosfatasi) e reimmissione in circolo

Metabolismo Glucidico: La Glicolisi

La glicolisi è il processo attraverso cui il glucosio viene trasformato in acido piruvico. Il processo anaerobico (che avviene nella cellula) precede la fase aerobica (che avviene nel mitocondrio) in cui l'acido piruvico verrà degradato a CO₂ e H₂O (ciclo di Krebs). Nell'uomo la glicolisi è l’unico modo con cui può essere utilizzato il glucosio in mancanza di ossigeno e in questo caso il prodotto finale sarà l'acido lattico.

La Glicolisi Anaerobica

La glicolisi è un processo fondamentale per l'utilizzazione del glucosio, sia che venga trasformato in piruvato/lattato (glicolisi anaerobica) sia che venga ossidato a CO₂ e H₂O (glicolisi aerobica). Come detto, in mancanza di ossigeno, il piruvato viene trasformato in lattato facendo contrarre alla cellula un debito di ossigeno. Quando l'ossigeno tornerà disponibile, questo debito verrà pagato ossidando il lattato e ritrasformandolo in piruvato che entrerà nei mitocondri dove le cellule dotate di G6P fosfatasi potranno ritrasformarlo in glucosio ed esportarlo.

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Gli enzimi della glicolisi sono ovviamente più abbondanti nei tessuti prettamente anaerobici (muscolo, globuli rossi, midollare del surrene) mentre sono meno presenti nei tessuti con metabolismo prettamente aerobico (cuore e cervello) particolarmente sensibili alla mancanza di ossigeno. La glicolisi è regolata dalla quantità di glucosio disponibile e dagli ormoni che la stimolano (insulina) o la inibiscono (glucagone e adrenalina).

Metabolismo Glucidico e Glicolisi Anaerobica

Il bilancio energetico della glicolisi anaerobica è di 2 moli di ATP prodotte per ogni mole di glucosio consumata. Tessuti diversi hanno richieste energetiche diverse e attueranno la glicolisi (aerobica o anaerobica) che meglio si addice a quel tessuto. Ad esempio, i globuli rossi, sprovvisti di mitocondri, possono attuare solo la glicolisi anaerobica (glucosio→lattato, ecco il motivo per cui a riposo è presente un minimo di acido lattico nel sangue),i neuroni utilizzano solo la glicolisi aerobica mentre i muscoli e il cuore in presenza di ossigeno attuano la glicolisi aerobica e in assenza la glicolisi anaerobica.

I tessuti in grado di utilizzare sia la glicolisi aerobica che anaerobica (come i muscoli e il cuore appunto),in presenza di ossigeno utilizzano prevalentemente la glicolisi aerobica, ossidando i grassi e preservando il glucosio (situazione che però viene alterata nell’insulino resistenza). Questo avviene per due ragioni, primo perché la glicolisi aerobica è più efficiente della anaerobica (30/32 ATP prodotti contro 2) e poi perché la maggior produzione di ATP inibisce la glicolisi anaerobica stessa (il maggior ATP prodotto è uno stimolo che ne inibisce l’ulteriore produzione).

La Glicolisi Aerobica. Il Ciclo di Krebs

Come già accennato, in mancanza di ossigeno la cellula produce energia (ATP) consumando glucosio e producendo piruvato. In condizioni aerobiche il piruvato formatosi entra nei mitocondri dove viene trasformato in CO₂ e Acetil CoA.

Se la leggiamo in quest’ottica, la glicolisi aerobica e anaerobica sono due vie metaboliche complementari che si sono settate nel corso dell’evoluzione che l’uomo ha subìto nei secoli per permettere il rifornimento di energia in qualsiasi situazione.

Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è la capacità dell'organismo di produrre glucosio partendo da composti non glucidici. I principali precursori della gluconeogenesi sono gli aminoacidi glucogenici che, una volta trasformati, producono ossalacetato. Gli aminoacidi chetogenici, invece, producono acetil CoA, precursore dei corpi chetonici.

La gluconeogenesi ha le stesse tappe (con decorso opposto) della glicolisi ed è mediato dagli stessi enzimi ma queste due reazioni non possono avvenire contemporaneamente perché hanno reazioni enzimatiche incompatibili fra loro.

Significato della Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è la produzione ex novo di glucosio o glicogeno da precursori non glucidici come:

1. lattato: un uomo adulto produce circa 120g di lattato al giorno, 40g di questi arrivano da tessuti esclusivamente anaerobici (come globuli rossi e retina) e i restanti da altri tessuti (muscoli, cervello, pelle) a seconda della disponibilità di ossigeno. Ecco perché nel nostro sangue troviamo un po’ di acido lattico anche quando siamo a riposo
2. aminoacidi glucogenici: questi aminoacidi derivano dalle proteine alimentari o, nel digiuno e nell'esercizio fisico intenso, dalla lisi delle proteine muscolari. La gluconeogenesi si svolge solo nel fegato e nei reni, organi dotati di specifici enzimi; nel fegato gli aminoacidi che contribuiscono maggiormente sono l’alanina e l’acido glutammico, nel rene la glutammina e la glicina
3. glicerolo: il glicerolo deriva dall'ossidazione dei trigliceridi del tessuto adiposo; riversato nel sangue arriva al fegato dove è convertito in glucosio. Un uomo adulto produce circa 18g di glicerolo al giorno, ma aumenta in condizioni di attività fisica o stress

A livello energetico è la β-ossidazione degli acidi grassi che produce ATP, NADH e Acetil CoA che fornisce energia per sostenere la gluconeogenesi. I principali fattori di controllo della gluconeogenesi sono:

• il rapporto ATP/ADP e ATP/AMP, quando questo rapporto è alto viene inibita la glicolisi (più in particolare i suoi enzimi),quando è basso vengono inibiti gli enzimi della gluconeogenesi
• un aumento dell'Acetil CoA (come nel digiuno) stimola la gluconeogenesi
• il lattato stimola la gluconeogenesi (come durante un allenamento)
• l’azione dell'insulina (che inibisce la gluconeogenesi) e del cortisolo (che stimola la gluconeogenesi). Questo è uno delle azioni antagoniste dei due ormoni

Riassumendo, è lo stato energetico del soggetto ad attivare o inibire la gluconeogenesi. In generale un’aumentata richiesta energetica (come il digiuno o un allenamento intenso) spinge l’organismo ad attivare la gluconeogenesi, viceversa un buon stato nutrizionale la inibisce.

Il Ciclo dei Pentoso Fosfati

Nell’ambito del metabolismo glucidico, il ciclo dei pentoso fosfati non ha fini energetici, ma attraverso questa via la cellula può ricavare i metaboliti per produrre acidi grassi e colesterolo. È infatti molto attiva in quei tessuti in cui è necessaria un’intensa lipogenesi, come nel tessuto adiposo e nella corticale del surrene (per la produzione di ormoni steroidei),mentre è irrilevante nel muscolo dove prevale la glicolisi. Il ciclo dei pentoso fosfati si sviluppa nel citoplasma e l'ATP non entra in gioco.

Semplificando i concetti, in questa via il G6P viene trasformato in 6 CO₂ e 12 moli di NADPH. È proprio la produzione di NADPH (enzima fondamentale nella catena respiratoria dei mitocondri) la funzione primaria della via dei pentoso fosfati, molto attiva in tutti quei tessuti dediti alla lipogenesi.

Anche in questo caso, il fatto che venga attivata la glicolisi o la via dei pentoso fosfati dipende dalle condizioni metaboliche del momento: quando c'è bisogno di energia si accentua la glicolisi o il ciclo di Krebs, quando c'è necessità di sintetizzare molecole (NADPH) si accentua la via dei pentoso fosfati. Ad esempio, un’alimentazione ricca di glucidi o in caso di mancanza di ossigeno (che impedirebbe la catena respiratoria) aumenta l'utilizzo del glucosio nella via dei pentoso fosfati.

Metabolismo del Glicogeno

Il glicogeno è un polisaccaride e costituisce la principale forma di deposito di zuccheri nell'uomo, perché se si depositasse glucosio o altri monosaccaridi si creerebbe una pressione osmotica insostenibile. Lo stoccaggio di glicogeno è possibile grazie alle reazioni di glicogenosintesi e glicogenolisi, processi che non possono avvenire contemporaneamente e che spieghiamo brevemente qui sotto.

Glicogenosintesi

È la reazione attraverso la quale il glucosio viene stoccato sottoforma di glicogeno (nelle cellule del muscolo e del fegato) grazie all'enzima glicogenosintetasi che nel fegato può trovarsi in forma attiva o inattiva. La forma inattiva è attivata da alti livelli di G6P e dall’insulina (stato metabolico tipico dopo un pasto). Questa duplice regolazione dell’enzima consente di stoccare glicogeno sia sotto stimolazioni insuliniche che in base alla quantità di glucosio nel tessuto rendendo questo processo modulabile secondo le necessità metaboliche.

Nel muscolo non c'è questa duplice attivazione e la glicogenosintetasi si attiva quando calano le scorte di glicogeno. Questo enzima viene invece inibito dall’adrenalina o da contrazioni muscolari intense (che fanno aumentare Ca⁺ inibendo l’enzima). In sostanza quando c'è contrazione muscolare intensa o stress di breve durata viene inibita glicogen...

Il metabolismo del glucosio è uno dei principali meccanismi attraverso i quali l’organismo riesce a ricavare l’energia necessaria per lo svolgimento delle sue funzioni vitali. I pathways metabolici cellulari coinvolti nel metabolismo del glucosio sono sia di natura anabolica (gluconeogenesi) che di natura catabolica (glicolisi). Verranno illustrati anche i pathways metabolici del glicogeno, che rappresenta un modo efficace di immagazzinamento del glucosio, che funge da riserva energetica.

La glicolisi è una via catabolica costituita da 10 reazioni enzimatiche che catalizzano la trasformazione di una molecola di glucosio in due molecole di piruvato (Figura 1). Questo processo rilascia energia, infatti al bilancio netto finale vengono prodotte 2 molecole di ATP, e 2 molecole di NAD+ sono state ridotte a NADH + H+. Essa non richiede il consumo di ossigeno ed è pertanto un processo anaerobico.

Il piruvato, nel corpo umano, può andare incontro a due destini:

1. in condizioni aerobiche subisce una completa ossidazione a CO2 e H2O tramite il ciclo di Krebs
2. in condizioni anaerobiche viene trasformato in lattato, tramite la fermentazione lattica; questo processo consente di rigenerare NAD+, che va a rifornire la via glicolitica. La fermentazione lattica ha luogo nel muscolo, quando c’è un’alta domanda di ATP ma un scarso apporto di O2

La gluconeogenesi è la via anabolica che sintetizza glucosio partendo da precursori non glucidici come lattato, piruvato, amminoacidi e intermedi del Ciclo di Krebs. Tale processo subisce un incremento quantitativo quando i depositi di glicogeno si riducono e/o la glicemia si abbassa (e.g. digiuno, attività fisica). La gluconeogenesi avviene nel fegato e in piccola parte anche nella corticale del rene, sotto stimolazione del glucagone, ormone secreto dalle α cellule del pancreas. La via ha inizio nel mitocondrio per poi spostarsi nel citoplasma della cellula e si conclude con la produzione di glucosio all’interno del reticolo endoplasmatico.

Il glicogeno è un polimero ramificato costituito da monosaccaridi di glucosio uniti tra loro da un legame di tipo α-glucidico, che si presenta sotto forma di granuli localizzati nel citoplasma della cellula, costituendo una vera e propria riserva energetica. Esso si deposita nelle cellule muscolari e negli epatociti. La glicogenolisi è la via catabolica che degrada il glicogeno per ottenere molecole di glucosio da usare come fonte di energia. È un processo che consta di tre fasi mediate da altrettanti enzimi e avviene per la maggior parte nel fegato e nel muscolo (2). Si attiva in seguito allo stimolo ormonale del glucagone nel fegato, e adrenalina e noradrenalina nel muscolo, nel momento in cui aumenta il fabbisogno energetico dell’organismo.

La glicogenosintesi è la via anabolica del glicogeno che porta alla sintesi di molecole di glicogeno partendo dal glucosio. Avviene nelle cellule epatiche e in quelle muscolari in presenza di ATP (infatti è un processo che richiede energia), e in queste ultime è innescato dall’insulina.

Il glucosio dal flusso sanguigno entra nelle cellule attraverso specifici trasportatori, le proteine GLUT. GLUT2 è un trasportatore del glucosio specifico per epatociti, β-cellule del pancreas, intestino tenue e rene. GLUT4 è un trasportatore di glucosio presente sulle cellule adipose, muscolari scheletriche e cardiache. La sua affinità per il glucosio è nell’ordine dei 5mM.

Dal punto di vista chimico, il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio e rientra pertanto nella categoria degli esosi. Il glucosio è un monosaccaride, cioè uno zucchero che non può essere idrolizzato in un carboidrato più semplice. La maggior parte degli zuccheri complessi presenti nell'alimentazione viene scissa e ridotta in glucosio e in altri glucidi semplici. A partire dal glucosio è possibile sintetizzare tutti i carboidrati necessari alla sopravvivenza dell'organismo.

Il livello di glucosio nel sangue e nei tessuti è regolato con precisione da alcuni ormoni (insulina e glucagone); il glucosio in eccesso viene conservato in alcuni tessuti, tra cui quello muscolare, sotto forma di glicogeno.

Negli esseri viventi la glicolisi costituisce il primo stadio delle vie metaboliche di produzione di energia; essa permette l'utilizzazione del glucosio e di altri zuccheri semplici, come il fruttosio e il galattosio. Nell'uomo, alcuni tessuti, che normalmente hanno un metabolismo aerobio in condizioni particolari di carenza di ossigeno hanno la capacità di ricavare energia grazie alla glicolisi anaerobia. Ciò si verifica, ad esempio, nel tessuto muscolare striato sottoposto a un intenso e prolungato sforzo fisico. In tal modo la flessibilità del sistema di produzione energetica, che può seguire vie chimiche differenti, permette all'organismo di soddisfare le proprie necessità.

In condizioni di anaerobiosi (mancanza di ossigeno) il piruvato viene trasformato in due molecole di acido lattico con la liberazione di energia sotto forma di ATP. Questo processo, che produce 2 molecole di ATP, non può persistere per più di 1 o 2 minuti perché l'accumulo di acido lattico produce la sensazione di fatica ed ostacala la contrazione muscolare. In presenza di ossigeno l'acido lattico che si è venuto a formare viene trasformato in acido piruvico che verrà poi metabolizzato grazie al ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs è attivo in tutti gli animali, nelle piante superiori e nella maggior parte dei batteri. Nelle cellule eucarioti il ciclo avviene in un organulo cellulare denominato mitocondrio. Al termine della glicolisi si formano due molecole di piruvato, che entrano nei mitocondri e vengono trasformate in gruppi acetilici. Ciascun gruppo acetilico, contenente due atomi di carbonio, si lega a un coenzima, formando un composto denominato acetilcoenzima A. Questo, a sua volta, si combina con una molecola a quattro atomi di carbonio, l'ossalacetato, per formare un composto a sei atomi di carbonio, l'acido citrico.

Il passaggio degli elettroni comporta la liberazione di energia che viene immagazzinata nei legami di 36 molecole di adenosin difosfato (ADP) tramite il legame di gruppi fosfato e che porta alla sintesi di 36 molecole di ATP.

I glucidi sono gli zuccheri e lo scopo della loro omeostasi (cioè equilibrio) è quello di fornire al tessuto nervoso (cervello), in condizioni di mancato apporto alimentare, la quantità di glucosio sufficiente per il suo funzionamento. Il tessuto nervoso, infatti, per funzionare correttamente, è strettamente glucosio-dipendente. Dopo una notte di digiuno, il glucosio presente nel sangue è utilizzato per la maggior parte dal cervello, in minor misura dai globuli rossi, dall'intestino e dai tessuti sensibili all'insulina (muscolo e tessuto adiposo), che è l'ormone che permette a questi stessi tessuti di usufruire del glucosio e di immagazzinarlo al loro interno.

Il fegato è in grado di immagazzinare glucosio sotto forma di glicogeno (tante molecole di glucosio "impacchettate" tra loro) e di liberarlo sotto forma di glucosio. Il pancreas svolge un ruolo fondamentale nell'omeostasi degli zuccheri. La produzione di glucosio da parte del fegato, infatti, è regolata da due ormoni, l'insulina ed il glucagone.

In seguito ad un pasto, il glucosio assorbito dal tratto intestinale provoca un aumento della glicemia. I carboidrati (che sono polisaccaridi, ovvero formati da diversi tipi di zuccheri messi insieme), una volta giunti nell'intestino, vengono ridotti a monosaccaridi, che sono glucosio (80%), fruttosio (15%) e galattosio (5%). Essi vengono poi assorbiti dalle cellule della mucosa intestinale e, da qui, sono trasportati al sangue.

Contemporaneamente viene stimolata la secrezione di insulina, il principale ormone regolatore della glicemia. L'aumento dei livelli plasmatici di questo ormone determina una diminuzione dei livelli di glucagone, il suo antagonista, e provoca una diminuzione della dismissione epatica di glucosio perché va ad inibire la scissione di glicogeno in glucosio (glicogenolisi) e della sintesi di nuovo glucosio dagli amminoacidi (gluconeogenesi). Il fegato, che è liberamente permeabile al glucosio, sequestra circa il 50% di glucosio per convertirlo a glicogeno (azione controllata dall'insulina). Il glucosio non sequestrato dal fegato viene distribuito nel muscolo e nel tessuto adiposo.

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