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. Il metabolismo degli zuccheri è quel processo attraverso il quale l’energia contenuta negli alimenti che mangiamo viene resa disponibile come fonte energetica per il nostro organismo.
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. Il glucosio può essere utilizzato per la sintesi del glicogeno e di altre sostanze adatte a fornire una fonte energetica, o può essere degradato per alimentare i processi metabolici.
Il glucosio è uno zucchero a sei atomi di carbonio che può essere ingerito attraverso i cibi o iniettato direttamente nel corpo, ma nella maggior parte dei casi si presenta come un prodotto derivato di carboidrati complessi, di proteine o del metabolismo dei grassi. 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.
Quando si assumono cibi, si registra un innalzamento ed un seguente calo dei livelli di glucosio nel sangue, poiché questo passa dal tratto gastrointestinale al sangue, in cui viene assorbito e trasportato nelle cellule del corpo. La presenza di glucosio nel sangue stimola il pancreas alla produzione di insulina, che poi attiva l’assorbimento del glucosio da parte delle cellule, riportando i livelli di zuccheri nella norma. L’insulina blocca la combustione dei grassi a favore di quella del glucosio, che diventa così la fonte energetica principale per l’organismo.
Anche il fruttosio viene assorbito dall’intestino, ma in questo caso interviene anche il fegato, che agisce da organo preelaboratore e converte il fruttosio in glucosio o lipidi. Il fegato può infatti rilasciare glucosio e grassi nel sangue oppure stoccarli come depositi lipidi o di glicogeno.
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Fasi del Metabolismo del Glucosio
1. Glicolisi
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. Essa non richiede il consumo di ossigeno ed è pertanto un processo anaerobico. 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+.
Il piruvato, nel corpo umano, può andare incontro a due destini:
- In condizioni aerobiche subisce una completa ossidazione a CO2 e H2O tramite il ciclo di Krebs.
- 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 degradazione del glucosio inizia nel citoplasma delle cellule; è una reazione anaerobica di respirazione cellulare e quindi non richiede ossigeno. Questa reazione avviene nella parte interna dei mitocondri delle cellule; qui, le due molecole di piruvato derivanti dalla glicolisi vengono combinate con due molecole di Cenzima A (CoA) per produrre due molecole di Acetil-coenzima A e due di CO2.
Conosciuto anche come ciclo dell’acido citrico, il ciclo di Krebs consiste in una serie di reazioni anaerobiche, come le precedenti, che si verificano nella matrice mitocondriale. Durante questo processo cellulare, che si verifica nelle membrane interne dei mitocondri e permette l'operazione degli elettroni dai protoni, avviene la riduzione dell’ossigeno ad opera delle molecole di NAD (Nicotinamide-Adenine-Dinucleotide) e FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotide), coenzimi trasportatori che si occupano del trasferimento degli elettroni nei mitocondri.
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In presenza di sei molecole di ossigeno, i protoni passano dai coenzimi NAD e FAD ad altri NAD e FAD lungo la catena , permettendo così l’estrazione di ATP a diversi livelli. A conti fatti, con due molecole di ATP ottenute dalla glicolisi, due ottenute dal ciclo di Krebs e 34 dalla catena di trasporto degli elettroni, si può facilmente dire che sia quest’ultima la fase che produce maggiore energia. Per questo motivo, gli esseri umani non possono privarsi di ossigeno per un tempo troppo lungo e non possono sostenere un esercizio anaerobico ad alta intensità per più di alcuni minuti.
2. Gluconeogenesi
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.
3. Metabolismo del Glicogeno
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.
Glicogenolisi
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. 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.
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Glicogenosintesi
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.
Trasportatori del Glucosio (GLUT)
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.
Tabella 1: Riassunto dei GLUT (GLUcose Transporters) e delle relative funzioni
| 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. |
Diabete di Tipo 2
Il diabete di tipo 2 è caratterizzato da uno stato di iperglicemia sia a digiuno sia post-prandiale. In particolare, lo stato di iperglicemia a digiuno deriva da un aumento della gluconeogenesi, accompagnato dalla stimolazione della glucosio-6-fosfatasi e l’inibizione della glucochinasi, il che causa un aumento della concentrazione di glucosio.
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