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.
Metabolismo Glucidico
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. 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.
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.
Vie Metaboliche del Glucosio
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. 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.
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- Glicolisi: La degradazione del glucosio inizia nel citoplasma delle cellule; è una reazione anaerobica di respirazione cellulare e quindi non richiede ossigeno.
- Ciclo di Krebs: 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.
- Catena di trasporto degli elettroni: 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. 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.
Ruolo del Glucosio nel Cervello
Il cervello dei mammiferi utilizza il glucosio come sua fonte energetica principale. Nel cervello degli adulti, i neuroni presentano la richiesta più elevata di energia e necessitano di un continuo trasporto di glucosio dal sangue. Il metabolismo glucidico alimenta le funzioni fisiologiche cerebrali attraverso la produzione di ATP e di neurotrasmettitori.
Glicemia: Iperglicemia e Ipoglicemia
Il risultato del metabolismo glucidico è rappresentato dai valori della concentrazione di glucosio nel sangue (glicemia). Quando questi valori scendono sotto i livelli di norma si parla di ipoglicemia, una condizione che affligge in primo luogo il cervello, ovvero l’organo che più di tutti attinge al glucosio come fonte primaria di energia. La condizione opposta, chiamata iperglicemia, si verifica invece quando i livelli di glicemia sono molto elevati.
Mentre il diabete di tipo 1 presenta sintomi evidenti, il tipo 2 resta silente per molto tempo e viene quindi spesso sottovalutato e lasciato agire fino a che non crea gravi problemi di salute.
Omeostasi del Glucosio
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.
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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. La produzione di glucosio da parte del fegato, infatti, è regolata da due ormoni, l'insulina ed il glucagone. In carenza di insulina si verifica una liberazione di glucosio dal fegato nel sangue, che comporta aumento della glicemia (iperglicemia) nel sangue stesso. In carenza di glucagone si blocca la dismissione epatica di glucosio con conseguente riduzione dello stesso nel sangue (ipoglicemia).
Accanto ed in equilibrio con il sistema insulina-glucagone, esiste il sistema cosiddetto controregolatore o controinsulare, rappresentato dalle ghiandole ipofisi e surrene.
Assorbimento dei Carboidrati
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.
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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Altre vie metaboliche dei glucidi
- 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, trattata qui sotto, in quanto fornisce ATP, NADH e acetil-CoA.
Metabolismo Lipidico
Il metabolismo dei lipidi permette di ottenere la quasi totalità del fabbisogno energetico perché, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il metabolismo degli zuccheri contribuisce solo per l’1%. Gli zuccheri rivestono quindi un’importanza marginale per la fornitura di energia al corpo. In un organismo sano presenti circa 10Kg di riserve di lipidi, immagazzinate per lo più nel tessuto adiposo e in parte nelle cellule, come gocce.
I trigliceridi presenti nell’organismo vengono introdotti attraverso il cibo oppure sintetizzati da adipociti o epatociti a partire dai carboidrati. Per ottenere energia dai grassi, è necessario che prima i trigliceridi vengano scomposti per idrolisi nei loro due principali componenti, acidi grassi e glicerolo. Questo processo, chiamato lipolisi, ha luogo nel citoplasma. Gli acidi grassi che ne risultano vengono degradati, per mezzo della beta ossidazione, in Acetil-coenzima A, utilizzato dal ciclo di Krebs. Il glicerolo rilasciato dai trigliceridi dopo la lipolisi entra direttamente nel percorso della glicolisi come diidrossiacetone fosfato (DHAP).
Poiché una molecola di trigliceride fornisce tre molecole di acidi grassi, le molecole di grasso sviluppano più energia rispetto ai carboidrati e alle proteine: in ambito energetico, i trigliceridi hanno una resa più che doppia, per massa unitaria.
Nel caso in cui l’Acetil-coenzima A viene prodotto in eccesso dall’ossidazione degli acidi grassi e il ciclo di Krebs non è in grado di gestirlo, esso viene utilizzato per la creazione di corpi chetonici. Questi svolgono una funzione di alimentazione energetica quando i livelli di glucosio sono troppo bassi; i casi in cui entrano in azione sono legati a lunghi periodi di digiuno o a patologie (come ad esempio il diabete non controllabile) che non permettono di utilizzare la maggior parte del glucosio in circolazione.
Gli organi come il cervello, che solitamente fanno affidamento sul solo glucosio come fonte energetica, possono utilizzare come alternativa i chetoni. In questo modo il cervello si tiene attivo anche quando le scorte di glucosio sono ridotte o esaurite.
Quando i livelli di glucosio hanno raggiunto il limite, l’Acetil-coenzima A in eccesso, generato dalla glicolisi, può essere convertito in acidi grassi, in trigliceridi, in colesterolo, in sali biliari e in steroidi. Questo processo, chiamato lipogenesi, ha luogo nel citoplasma degli adipociti (cellule dei grassi) e degli epatociti (cellule epatiche) e crea grassi dall’Acetil CoA. L’ingestione di glucosio o carboidrati oltre il fabbisogno dell’organismo, porta l’Acetil CoA a trasformare la quantità in eccesso in grassi.
La disponibilità di Acetil CoA è fondamentale per la litogenesi, che inizia proprio con l’Acetil CoA per poi proseguire con l’aggiunta di due atomi di carbonio da un’altra molecola di Acetil CoA. Anche se la litogenesi si verifica nel citoplasma, l’Acetil CoA necessario viene creata nei mitocondri e non può essere trasportato attraverso la membrana mitocondriale.
I grassi ingeriti con i cibi vengono digeriti nell’intestino tenue, mentre i trigliceridi vengono scomposti in monogliceridi e acidi grassi liberi, per poi essere trasportati attraverso la mucosa intestinale. Una volta compiuto questo passaggio, i trigliceridi sono sintetizzati nuovamente e trasportati al fegato e ai tessuti adiposi.
Lipoproteine e Trasporto dei Lipidi
Per permettere il trasporto dei lipidi, ci sono i chilomicroni: strutture costituite da proteine e da trigliceridi con una superficie idrofila (con apolipoproteine) e un core idrofobico ricco di lipidi. La presenza di apolipoproteine permette l’attivazione delle lipasi lipoproteiche, che scindono nuovamente i trigliceridi in glicerolo + acidi grassi che verranno utilizzati. Dal fegato hanno origine altre lipoproteine: quelle a bassissima densità (VLDL) e a bassa densità (LDL), che derivano dalle precedenti.
Le lipoproteine, quindi, sono indispensabili per il trasporto dei lipidi. Tornando alle lipoproteine, esse cambiano a seconda del lipide che trasportano, e se questo sia esogeno o endogeno.
- VLDL (Very low density lipoprotein/lipoproteine a bassissima densità): trasportano i trigliceridi endogeni, ovvero quelli sintetizzati dal fegato verso i tessuti di destinazione.
- IDL (Intermediate low lipoprotein/lipoproteina a media densità): particelle di VLDL che hanno parzialmente esaurito la loro quota di trigliceridi.
Beta-Ossidazione
La beta-ossidazione è la via metabolica tramite la quale la cellula ricava energia (ATP) dai grassi. Questo processo comincia nel citoplasma cellulare, dove l’acido grasso viene attivato dal legame con il coenzima A (CoA) formando l’acil-SCoA. L’acil-SCoA viene trasportato tramite la carnitina all’interno del mitocondrio, organulo cellulare in cui i grassi vengono ossidati (“bruciati”).
Una volta entrato nel mitocondrio, all’acido grasso vengono tolti due atomi di carbonio alla volta a partire dall’estremità che presenta il gruppo carbossilico (COOH), il cui carbonio è chiamato carbonio beta (da cui beta-ossidazione). Dall’acido grasso di partenza si ottengono, così, numerosi acetil-CoA che vengono utilizzati nel ciclo di Krebs per essere ossidati fino ad ottenere anidride carbonica e acqua.
Sempre durante la beta-ossidazione, avviene il rilascio delle molecole NADH e NADH2 che vengono ugualmente usate per produrre energia durante la catena di trasporto degli elettroni.
Lipogenesi
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.
Colesterolo e Bile
Alcune precisazioni sul colesterolo: questo grasso non viene depositato nell’organismo, perciò se in eccesso deve essere eliminato. E’ sempre difficile eliminare un composto idrofobo e serve una sostanza idrofila, come la bile. Il colesterolo si assembla con i sali biliari (prodotti dal fegato) per formare la bile, che verrà utilizzata per emulsionare i grassi assunti tramite la dieta e contribuire alla digestione.
Corpi Chetonici e 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.
Ad occuparsi della sintesi dei corpi chetonici - che sono molecole idrosolubili - è sempre il fegato. I corpi chetonici una volta prodotti dal fegato si spostano da quest’organo per essere trasportati altrove, via ematica, e di nuovo riconvertiti in energia (chetolisi).
HDL e Trasporto Inverso del Colesterolo
Come anticipato, le HDL sono particelle proteiche che vengono prodotte dal fegato. In origine, quindi, esse sono “vuote”, ma ricevono l’eventuale colesterolo in eccesso dalle LDL e dalle cellule del corpo, per poi ricondurlo al fegato, o alle cellule steroidogeniche, che lo usano per produrre ormoni steroidei (ad esempio estrogeni e testosterone), o sali biliari.
Disturbi del Metabolismo Lipidico
Per quanto riguarda il metabolismo dei lipidi, le malattie ad esso associate, come quella di Gaucher e di Tay-Sachs, sono di origine ereditaria. I lipidi sono grassi o sostanze a base di grassi e includono oli, acidi grassi, cere e colesterolo. Le due patologie sopra elencate sono dovute ad una carenze di enzimi preposti alla scomposizione dei lipidi; oppure, gli enzimi lavorano in maniera corretta e il corpo non riesce a convertire i grassi in energia.
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