Scopri i Segreti della Nutrizione Metabolica: Strutture Biochimiche, Reazioni e Regolazione Essenziali!

Il corso di NUTRIZIONE A LIVELLO METABOLICO: STRUTTURE BIOCHIMICHE, REAZIONI E REGOLAZIONE si propone di fornire allo studente le conoscenze biochimiche dei nutrienti presenti negli alimenti, dei meccanismi molecolari del loro assorbimento, delle interazioni e del loro utilizzo per scopi energetici e/o strutturali da parte dei vari tessuti con particolare attenzione ai meccanismi di regolazione. Il corso fornirà conoscenze aggiornate riguardanti le basi biochimiche delle principali vie metaboliche e i principi fisiologici alla base dell’utilizzo dell’energia fornita dai nutrienti.

Metabolismo Cellulare: Una Panoramica

In sintesi, il metabolismo cellulare è la serie di reazioni biochimiche che avvengono nelle cellule; alcune di queste reazioni permettono di ottenere le molecole e l’energia di cui le cellule hanno bisogno. Ogni reazione può essere accelerata da un enzima. La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.

Rompere e Costruire: Catabolismo e Anabolismo

Per metabolismo cellulare si intende l’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule. Le reazioni possono essere facilitate dagli enzimi, particolari proteine che funzionano da catalizzatori, rendendo possibile se non accelerando la reazione in cui sono coinvolti. Gli enzimi legano in maniera altamente specifica uno o più substrati, le molecole coinvolte nella reazione, facilitando così la loro trasformazione nei prodotti della reazione stessa, che sono poi rilasciati dall’enzima.

Spesso perché all’interno delle cellule avvengano le trasformazioni molecolari desiderate da un prodotto iniziale a uno finale, occorrono più fasi, ciascuna delle quali può essere catalizzata da un diverso enzima. In ciascuna di queste fasi, un substrato viene convertito in un prodotto, che a sua volta diventa il substrato per la reazione successiva. Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di queste reazioni in sequenza. Le cellule sono in grado di controllare le vie metaboliche a seconda dei propri bisogni e ci riescono anche grazie alla regolazione dell’attività degli enzimi stessi.

Sono dette cataboliche quelle vie che permettono la degradazione di molecole complesse. In queste reazioni, le molecole sono trasformate nei loro costituenti (per esempio, dalle proteine si ottengono gli amminoacidi), mentre l’energia viene rilasciata come calore oppure immagazzinata sotto forma di particolari molecole. La sintesi di nuove molecole, le macromolecole, avviene attraverso vie definite anaboliche, che possono partire proprio dai prodotti del catabolismo e che per procedere hanno bisogno di energia. Per far sì che le cellule controllino i propri livelli di metaboliti fondamentali e abbiano a disposizione una quantità sufficiente di energia, le vie cataboliche e anaboliche devono essere in equilibrio.

Fonti di Energia: Dagli Alimenti alla Respirazione Cellulare

L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Da dove arriva allora l’energia di cui hanno bisogno le cellule? Nel caso di alcuni tipi di batteri, delle alghe e delle piante la “fonte” è rappresentata dal sole. Nel noto processo di fotosintesi, le cellule catturano l’energia solare e la utilizzano per produrre molecole organiche. Altri organismi, come gli esseri umani, funzionano diversamente e ricavano le molecole organiche dall’alimentazione. Attraverso la nutrizione gli esseri umani ottengono l’acqua e i nutrienti, quali carboidrati, grassi, proteine, sali e minerali, che vengono se necessario scomposti in prodotti più piccoli, quindi assorbiti nel circolo ematico e recapitati a tessuti e cellule che ne hanno bisogno.

L’energia è contenuta nei legami chimici delle molecole dei nutrienti e, attraverso diversi processi, viene trasformata in una forma che le cellule possono utilizzare. Rilasciata dalla rottura di tali legami, l’energia viene immagazzinata sotto forma di molecole ad alta energia, come l’ATP (adenosina trifosfato), il trasportatore di energia più abbondante nelle cellule.

La respirazione cellulare è un processo mediante il quale le cellule ricavano l’energia dai nutrienti. La degradazione di carboidrati, grassi e proteine converge in una via centrale del metabolismo, il cosiddetto ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs dal nome del suo scopritore, Hans Krebs). Il ciclo dell’acido citrico avviene all’interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. A questo ciclo, da cui si formano anidride carbonica e altre importanti molecole, segue la fosforilazione ossidativa, la fase di massima resa in termini di formazione di molecole di ATP, che vede il coinvolgimento della catena di trasporto degli elettroni ed è resa possibile da diverse proteine situate nella membrana interna dei mitocondri. Nell’insieme questo processo consuma ossigeno e produce anche acqua.

Nei diversi passaggi che portano dalla demolizione dei nutrienti al ciclo di Krebs, ha un ruolo importante una particolare molecola, chiamata acetilcoenzima A. La sua formazione a partire dal glucosio inizia nel citoplasma della cellula con la glicolisi, una via metabolica che non necessita di ossigeno e in cui da una molecola di glucosio si formano due molecole di piruvato, con un guadagno netto di due molecole di ATP, un numero decisamente inferiore rispetto alla fosforilazione ossidativa, e altre molecole. Il piruvato è poi trasportato nei mitocondri e convertito nell’acetilcoenzima A, che entra così nel ciclo di Krebs.

Regolazione del Metabolismo Energetico

La trasformazione dell’energia chimica in una forma utile alle cellule viene regolata tramite diverse modalità. Per esempio, le cellule possono rispondere a certi segnali o non possedere alcuni organuli (come i globuli rossi, che non hanno mitocondri). Centrale è la disponibilità di ossigeno. In condizioni di assenza o di bassi livelli di ossigeno, il piruvato prodotto dalla glicolisi potrà avere un diverso destino: invece di entrare nei mitocondri, resterà nel citoplasma dove, grazie al coinvolgimento di un particolare enzima, si produrrà il lattato (o acido lattico). Si noti che, quando le cellule muscolari fanno affidamento sulla glicolisi per la produzione di energia a causa della bassa disponibilità di ossigeno, è proprio l’accumulo di questo prodotto che provoca la caratteristica sensazione di dolore.

Componenti Biochimiche Essenziali

Di seguito alcuni richiami di biochimica strutturale, con particolare riferimento alle biomolecole di interesse alimentare:

Classificazione dei principali glucidi introdotti con la dieta: strutture lineari e cicliche dei monosaccaridi, strutture cicliche di disaccaridi e polisaccaridi. Reazioni caratteristiche.
Vie di trasduzione del segnale dipendenti da recettori accoppiati a proteine G che utilizzano come secondi messaggeri cAMP, o dipendenti da recettori con attività tirosin-chinasica. Effetti metabolici degli ormoni insulina, glucagone e adrenalina.

Metabolismo dei Glucidi

Principali glucidi introdotti con la dieta.
Caratteristiche dei trasportatori del glucosio: GLUT 1-5.
Destini metabolici del glucosio.
Glicolisi aerobica e anaerobica (analisi delle singole reazioni).
Fermentazione alcolica e lattica.
Enzimi chiave nella regolazione della glicolisi: esochinasi, PFK-1 e piruvato chinasi.
Gluconeogenesi: reazioni che bypassano le reazioni irreversibili della glicolisi. Reazioni da precursori diversi dal piruvato: ossalacetato, lattato, alanina, glicerolo e propionil-CoA. Bilancio della gluconeogenesi. Enzimi chiave della regolazione della glicolisi e della gluconeogenesi. Ruolo del fruttosio 2,6-bisfosfato.
Metabolismo del glicogeno: reazioni e regolazione della glicogenolisi e glicogenosintesi.
Destini metabolici del piruvato: complesso della piruvato deidrogenasi.

Metabolismo dei Lipidi

Principali lipidi introdotti con la dieta. Nomenclatura standard e nomenclatura alternativa (ω). Acidi grassi essenziali (serie ω-3 e ω-6).
Mobilizzazione delle riserve di triacilgliceroli. Attivazione e trasporto degli acidi grassi nei mitocondri: shuttle della carnitina.
Reazioni della β-ossidazione degli acidi grassi saturi con numero pari e dispari di atomi di carbonio. Reazioni della β-ossidazione degli acidi grassi insaturi. Regolazione della β-ossidazione.
Corpi chetonici: reazioni della chetogenesi e loro ruolo metabolico.
Acetil-CoA carbossilasi e acido grasso sintasi: reazioni di sintesi del palmitato. Regolazione della biosintesi degli acidi grassi: ruolo della chinasi sensibile alla [AMP] (AMPK). Desaturasi ed elongasi per la sintesi di acidi grassi insaturi e a catena lunga.
Colesterolo libero e colesterolo esterificato. Colesterolo alimentare e colesterolo endogeno: bilancio del colesterolo nell’organismo. Trasporto di colesterolo e altri lipidi da parte delle lipoproteine plasmatiche: chilomicroni, VLDL, IDL, LDL e HDL. Ruolo di acidi e sali biliari nella digestione e contributo nel bilancio del colesterolo.
Biosintesi del colesterolo (analisi delle singole reazioni sino allo squalene). Regolazione covalente e trascrizionale della biosintesi del colesterolo (mediante SREBP-SCAP). Principali fitosteroli alimentari: strutture e ruolo nella riduzione della colesterolemia.

Metabolismo dell'Etanolo

Alcol deidrogenasi, aldeide deidrogenasi, sistema microsomiale.
Alterazioni metaboliche indotte dall’etanolo sul metabolismo glucidico e lipidico.

Metabolismo degli Amminoacidi e delle Proteine

Turnover proteico. Catabolismo degli amminoacidi: transaminazione e deaminazione ossidativa.
Gli enzimi che intervengono nel processo di digestione delle proteine. Sistemi di trasporto di amminoacidi e peptidi a livello degli enterociti.
Proteolisi lisosomiale e sistema ubiquitina-proteasoma. Destini metabolici degli amminoacidi: amminoacidi glucogenici, chetogenici e misti. Amminoacidi essenziali, non essenziali e condizionatamente essenziali.

Regolazione del Metabolismo: Aspetti Teorici e Meccanismi Fisiologici

I progressi fatti durante i secc. XVIII e XIX nella comprensione dei principi delle modificazioni chimiche portarono alcuni scienziati (in particolare A.-L. Lavoisier, L. Pasteur ed E. Buchner) ad applicare questi stessi principi ai sistemi biologici, sottraendo in questo modo tali processi alla sfera del misticismo e iniziando così la scienza della biochimica. Si stabilì inoltre che lo svolgimento di questi processi ‛metabolici' era intimamente correlato con il fenomeno della catalisi. Le reazioni chimiche che costituiscono una via metabolica sono catalizzate ciascuna da catalizzatori biologici specifici noti col nome di enzimi. Ricerche condotte nella prima metà di questo secolo chiarirono sia la natura chimica di queste reazioni sia la sequenza in cui esse sono organizzate in una data via metabolica. I risultati di queste ricerche sono raccolti nei testi di biochimica sotto la denominazione di ‛vie metaboliche'.

Queste vie, le rappresentazioni grafiche delle quali danno spesso l'impressione di complicati schemi di impianti elettrici, possono essere considerate l'‛anatomia' del metabolismo, in quanto forniscono un'indicazione delle possibili direzioni che un particolare substrato può seguire. Tuttavia esse non danno alcuna informazione sulla velocità delle singole reazioni e sulla modalità con cui queste velocità sono in relazione fra di loro e vengono regolate. Nondimeno anche i primi ricercatori erano a conoscenza del fatto che la velocità di almeno alcune vie metaboliche era sottoposta a controllo all'interno delle cellule viventi. Per esempio, era stato scoperto che le cellule di lievito producono più etanolo in assenza che in presenza di ossigeno, fenomeno che prende il nome di ‛effetto Pasteur'. Analogamente, fu trovato che il muscolo a riposo produce solo piccole quantità di acido lattico dal glicogeno, ma ne produce grandi quantità durante la contrazione o nel tempo immediatamente successivo.

Molti esempi simili potrebbero essere citati; l'assunto di questo articolo è appunto quello di considerare come le velocità dei processi metabolici sono controllate nella cellula vivente. Il chiarimento della natura dei meccanismi di controllo operanti nel metabolismo si è reso possibile solo dopo lo sviluppo di tecniche che hanno permesso il congelamento rapido di tessuti intatti, la successiva estrazione dei metaboliti e il loro dosaggio con metodi enzimatici. Notevoli contributi teorici riguardo al ruolo delle reazioni reversibili e irreversibili nel campo della regolazione metabolica sono stati recati da Krebs e da Bücher e Rüssmann. Un'altra teoria di una certa importanza per la comprensione delle basi molecolari della regolazione metabolica è la teoria ‛allosterica'. Secondo tale teoria l'attività catalitica di certi enzimi viene modificata da metaboliti che interagiscono con l'enzima in un punto della sua molecola (‛sito allosterico') spazialmente distinto da quello che lega i substrati (‛sito catalitico').

Gran parte della teoria presentata in questo articolo deriva dai concetti discussi dai suddetti autori, anche se nella presente trattazione viene applicato ai problemi della regolazione metabolica un criterio di studio cinetico piuttosto che termodinamico. Nondimeno i punti di vista cinetico e termodinamico sono connessi tra di loro in maniera diretta, sicché è possibile tradurre gli argomenti derivati da un tipo d'indagine nel linguaggio dell'altro. Gli autori sono convinti che gli argomenti cinetici contribuiscono maggiormente alla comprensione degli aspetti dinamici del metabolismo cellulare. Inoltre essi non presentano le difficoltà concettuali che nascono quando si applica la termodinamica classica al metabolismo.

Reazioni Reversibili e Irreversibili

Tutte le reazioni chimiche (e quindi anche tutte le reazioni enzimatiche) sono fino a un certo grado reversibili (principio della reversibilità microscopica), ma l'esperienza insegna che certe reazioni sono più reversibili di altre. In particolare, nelle vie metaboliche degli organismi viventi la velocità di una reazione in una direzione può essere assai più grande di quella nella direzione opposta, con il risultato che la reazione può essere considerata praticamente irreversibile.

Se questa reazione è isolata dall'ambiente circostante, cosicché non c'è produzione o eliminazione di x o di y nel o dal sistema, la concentrazione di queste sostanze si approssimerà a un valore determinato. Questo stato, in cui le velocità di reazione nei due sensi opposti si equivalgono, è denominato ‛equilibrio'. Per un sistema isolato (cioè ‛chiuso') come quello appena descritto, la condizione di equilibrio è l'unica in cui le concentrazioni di x e di y non variano nel tempo. Tuttavia, all'equilibrio il prodotto ‛netto' del processo di interconversione dei reagenti è zero (dato che v1=v2) ed è noto, dai principi della termodinamica classica, che un tale sistema non può compiere un lavoro utile.

I sistemi metabolici sono esempi di sistemi termodinamici ‛aperti', caratterizzati da uno scambio continuo di materia e di energia con l'ambiente circostante. Questo sistema racchiude la stessa reazione ipotetica del sistema chiuso sopra descritto, ma stavolta c'è una reazione (A) che rigenera continuamente x dall'ambiente e una reazione (B) che allontana continuamente y dal sistema. Queste due ultime reazioni sono state indicate come irreversibili e la ragione di ciò sarà discussa più avanti. Una proprietà importante di un sistema aperto è che la concentrazione di x e di y può essere indipendente dal tempo anche se la reazione x⇄y è spostata dalla condizione di equilibrio (vale a dire quando v1≠v2). Nell'esempio qui riportato questa situazione si verifica quando la velocità della reazione A è costante e la velocità della reazione B è funzione della concentrazione di y. Questa condizione è denominata ‛stato stazionario' e in essa una sostanza si trasforma in un'altra a velocità costante; la velocità alla quale opera complessivamente l'intero sistema è detta ‛flusso'. Lo stato stazionario fornisce un utile modello per la cinetica enzimatica e servirà nella presente trattazione come modello per descrivere il comportamento delle sequenze metaboliche.

Occorre però sottolineare che lo stato stazionario non è l'unica condizione in cui possono esistere i sistemi aperti. Altre condizioni, nelle quali la concentrazione del substrato (o dei prodotti intermedi del metabolismo) è una funzione continua del tempo, sono rappresentate dagli stati transitori (esponenziali), che hanno luogo quando cambia il flusso di un sistema a stato stazionario, e dagli stati oscillatori. Questi ultimi sono stati riscontrati nel sistema glicolitico del lievito. Il resto di questo capitolo tratterà l'origine del flusso in sistemi a stato stazionario e quei fattori che influenzano l'entità del flusso stesso (cioè, la sua regolazione). Le conclusioni derivate dall'uso del modello a stato stazionario saranno quindi applicate a un sistema metabolico che è stato oggetto di osservazione sperimentale particolarmente accurata, cioè la glicolisi muscolare.

Molte discussioni sul controllo metabolico si sono finora basate su argomenti termodinamici, mentre la presente trattazione metterà piuttosto in luce il lato cinetico del sistema. In questo esempio J è il vettore che rappresenta il flusso e k1 e k2 sono le costanti di velocità rispettivamente per le reazioni x→y e y→x. Dalla discussione precedente consegue immediatamente che la reazione x⇄y è spostata dall'equilibrio, in modo tale che (k1x−k2y)=J. Generalmente il termine (y/x) è chiamato ‛rapporto di azione di massa' e indicato col simbolo Γ. In base alla cinetica della reazione le velocità delle reazioni nei due sensi (v1 e v2) possono essere scritte come v1=k1x, v2=k2y. Poiché all'equilibrio k1xe=k2ye (in quanto v1=v2), ne segue che K=ye/xe=k1/k2. Poiché K/Γ è la misura dello spostamento della reazione dall'equilibrio, anche il rapporto v1/v2 è un'indicazione di questo spostamento.

In tal modo viene stabilito un collegamento fra criterio di studio termodinamico e criterio di studio cinetico. È evidente, dalla relazione v1/v2=K/Γ, che una reaziome molto spostata dall'equilibrio (valore elevato di K/Γ) può anche essere descritta come una reazione praticamente irreversibile (valore elevato di v1/v2), mentre una reazione vicina all'equilibrio (K/Γ vicino all'unità) può anche essere descritta come una reazione facilmente reversibile (v1/v2 vicino all'unità). In questo articolo si userà il concetto di ‛reversibilità' di reazione piuttosto che quello di ‛spostamento dall'equilibrio' come base teorica della discussione sulla regolazione metabolica. Infine, dall'equazione ΔG=−RTln(K/Γ) deriva che la liberazione di energia è tanto più grande quanto più una reazione è spostata dall'equilibrio. Parte di questa energia è liberata come calore, mentre il resto è trasferito ad altre molecole (ATP in particolare) e in questa forma può essere utilizzato per mettere in opera altri sistemi.

Purtroppo, l'aspetto quantitativo del discorso sull'energia liberata nelle vie metaboliche rivela l'inadeguatezza della termodinamica classica applicata al metabolismo. Quasi tutte le relazioni termodinamiche che sono state ricavate si applicano soltanto a sistemi che sono nella condizione di equilibrio o molto prossimi a essa. Uno studio termodinamico del metabolismo in termini più realistici dovrebbe nascere dalla considerazione di sistemi aperti, ma una termodinamica di tal genere è molto più complicata di quella classica, così che non è stata ancora applicata con successo al metabolismo intermedio.

Flusso Metabolico e Reazioni di Controllo

Le caratteristiche principali di un sistema in condizioni di stato stazionario sono l'indipendenza della concentrazione dei composti intermedi dal tempo e la presenza di un flusso costante. In effetti, la generazione del flusso costante è il fattore principale che stabilisce la presenza di uno stato stazionario. un flusso costante è generato a livello della reazione A e la velocità della reazione è data da λ•x. e il flusso è uguale alla velocità della reazione A. Ne consegue che la reazione B si adatta al flusso generato a livello della reazione A. Da queste considerazioni risulta che in ogni sistema a stato stazionario tutte le reazioni, la cui velocità è funzione della concentrazione del substrato, devono conformarsi al flusso. Il flusso è invece generato da una reazione la cui velocità è indipendente dalla concentrazione del suo substrato. Reazioni di questo tipo sono quelle ‛saturate' dal substrato e sono sempre irreversibili.

Il seguente esempio ipotetico può essere d'aiuto a chiarire questo punto fondamentale. nel quale il flusso è generato a livello della reazione A. Se si ammette che la reazione A rappresenta un'unica reazione chimica (o enzimatica), ne consegue che essa non può essere dipendente dal substrato, altrimenti il flusso diminuirebbe continuamente con il diminuire della concentrazione del substrato e uno stato stazionario sarebbe impossibile. In conclusione, il flusso attraverso un sistema a stato stazionario è generato a livello di reazioni saturate dal substrato, mentre le reazioni dipendenti dal substrato non fanno altro che adattarsi al flusso. Reazione generatrice di flusso è termine sinonimo di pacemaker e di ‛reazione limitante la velocità' (rate-limiting step). Invece occorre stare attenti all'uso fatto nella discussione precedente del termine ‛substrato'. può servire a chiarire tale punto.

In questo sistema c'è un cofattore (a) implicato nella reazione generatrice del flusso (A) e questo cofattore è rigenerato a livello di una reazione successiva del sistema. Se il termine ‛substrato di sequenza' è definito come quel substrato che rappresenta il flusso di materia attraverso un sistema aperto, in questo sistema la reazione A deve essere saturata dal substrato di sequenza, ma non necessariamente da a. Quest'ultimo è rigenerato continuamente e perciò si può considerare parte di un sistema ‛conservativo' di metaboliti, in contrapposizione al substrato di sequenza che rappresenta materia in scorrimento attraverso il sistema. A questo punto occorre chiarire che le reazioni di un sistema metabolico non sono necessariamente confinate in singole cellule o in singoli tessuti, ma il sistema può estendersi a parecchi tessuti collegati fra di loro dal sistema circolatorio. In questi casi la reazione generatrice del flusso può essere presente in un tessuto, mentre molte delle reazioni successive avvengono in altri tessuti.

In questo sistema il flusso è generato a livello della reazione A nel tessuto 1 e la velocità di utilizzazione di x da parte del tessuto 2 è funzione della sua concentrazione nel fluido circolante. La reazione A è catalizzata dall'enzima trigliceridelipasi, che è sempre saturato con trigliceride, e rappresenta così la reazione generatrice del flusso. L'acido grasso liberato dal tessuto adiposo è trasportato nel sangue sotto forma di un complesso con l'albumina; è noto che la velocità di utilizzazione degli acidi grassi nel muscolo è funzione della concentrazione dell'acido grasso in tale complesso. A questo punto saranno discussi i fattori che determinano l'entità del flusso attraverso un sistema metabolico, e cioè quei fattori che in definitiva regolano la velocità operativa delle vie metaboliche. L'entità del flusso attraverso questo sistema è determinata dalla reazione A e può essere modificata soltanto da una variazione dell'attività dell'enzima che catalizza la reazione. L'attività di questo enzima, e quindi la velocità della reazione A, può essere modificata sia direttamente (per es., per mezzo dell'inibizione da parte di un metabolita regolatore), sia indirettamente.

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