I carboidrati sono macronutrienti con funzione prevalentemente energetica. Siccome termini come “glicolisi”, “gluconeogenesi” o “glicogenosintesi” sono centrali per comprendere le dinamiche della composizione corporea è bene dedicare un approfondimento al metabolismo glucidico.
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.
Basi del metabolismo glucidico
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 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.
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).
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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. Esistono, tuttavia, cellule sprovviste di mitocondri che possono usare solo il glucosio per il loro metabolismo.
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. 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.
Tabella dei trasportatori GLUT
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 |
Il Glucosio: Fonte Energetica Primaria
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:
- energia sottoforma di ATP
- NADH (glicolisi anaerobica) e NADPH (nel ciclo dei pentoso fosfati)
- 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.
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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.
Il destino metabolico del G6P può seguire queste vie:
- glicolisi
- ciclo dei pentoso fosfati
- trasformazione in glicogeno
- ritrasformazione in glucosio (solo nel fegato, rene e intestino che hanno G6P fosfatasi) e reimmissione in circolo
Glicolisi: Trasformazione del Glucosio in Piruvato
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.
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.
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.
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La comparsa di un pericolo costringeva però ad una reazione di lotta o fuga e questa maggiore richiesta energetica attivava la glicolisi anaerobica (caratterizzata da un’alta potenza ma una scarsa capacità) permettendo di sostenere uno sforzo (lotta o fuga che fosse) di alcuni minuti. 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: Sintesi di Glucosio da Precursori Non Glucidici
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.
I principali precursori della gluconeogenesi sono:
- Lattato
- Aminoacidi glucogenici
- Glicerolo
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, un aumento dell'Acetil CoA, il lattato, l’azione dell'insulina e del cortisolo.
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.
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.
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).
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).
Regolazione Ormonale del Metabolismo Glucidico
La regolazione del metabolismo glucidico è sotto controllo ormonale ed energetico. L’insulina agisce in condizioni di iperglicemia (dopo un pasto) e permette l’ingresso del glucosio elle cellule muscolari e adipose. In seguito ad un pasto, il glucosio assorbito dal tratto intestinale provoca un aumento della glicemia. 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).
Accanto ed in equilibrio con il sistema insulina-glucagone, esiste il sistema cosiddetto controregolatore o controinsulare, rappresentato dalle ghiandole ipofisi e surrene.
L’insulino-resistenza è un elemento molto comune generalmente ravvisabile nel diabete mellito di tipo 2, spesso associato all’ipertensione arteriosa, e nella sindrome metabolica che comprende, a sua volta, l’obesità addominale, la dislipidemia e l’ipertensione. In presenza di insulino-resistenza, il pancreas aumenta la produzione di insulina con un parallelo incremento del suo livello nel sangue (iperinsulinemia).
L’iperglicemia è dovuta principalmente all’insulino resistenza: il glucosio si accumula nel sangue perché i tessuti non riescono a captarlo e perché il fegato continua a immetterlo in circolo.
Per ipoglicemia si intendono valori di glucosio minori di 60 mg/dl.
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