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Il metabolismo dei nutrienti e loro interazioni reciproche

Il normale funzionamento del metabolismo dei nutrienti supporta le richieste energetiche dell’organismo e la richiesta di metaboliti necessari per il mantenimento strutturale e funzionale degli apparati, organi e tessuti. Esso si basa su una intricata rete di reazioni anaboliche e cataboliche controllate da substrati energetici, ormoni, neurotrasmettitori che si controllano reciprocamente garantendo la corretta omeostasi fisiologica. La comprensione dell’esatto funzionamento di questi processi metabolici e delle loro interazioni, costituisce una sfida importante per la comunità scientifica visto che alterazioni a questo livello spiegano la crescente incidenza di patologie, come obesità e diabete1, il cancro2, e le malattie neurodegenerative3.
Una panoramica sintetica sulle principali vie metaboliche e le loro interazioni è rappresentata in Fig.1.

Le vie metaboliche principali

Il metabolismo del glucosio, dei lipidi e delle proteine racchiude processi che interagiscono tra loro al fine di preservare il bilancio tra produzione di energia sottoforma di ATP e conservazione dei nutrienti in eccesso sottoforma di glicogeno o trigliceridi. Tali processi biochimici si dividono in reazioni enzimatiche anaboliche, che permettono la sintesi e la conservazione di substrati, e cataboliche capaci di generare intermedi metabolici per rispondere al fabbisogno energetico dell’organismo.
Metabolismo del glucosio. La principale fonte di approvvigionamento di energia è il glucosio. In soggetti normali la glicemia varia a seconda dello stato nutrizionale tra 70-99 mg/dl a digiuno fino a 140 mg/dl nella fase postprandiale4 e il suo livello nel sangue è finemente regolato da numerosi ormoni (insulina, glucagone, GLP-1 etc.). Non sempre la quantità di glucosio derivante dall’alimentazione è sufficiente a rispondere alla richiesta energetica dell’organismo, soprattutto in stato di stress ed esercizio fisico prolungato. Pertanto, in queste condizioni l’organismo attiva la gluconeogenesi, un processo che avviene principalmente a livello epatico e renale e che utilizza piccole molecole costituite da 3 atomi di carbonio come il piruvato (lattato e alanina) per produrre glucosio (a 6 atomi di carbonio). Ogni molecola di glucosio sintetizzata a partire dal piruvato richiede 4 molecole di ATP, 2 GTP e 2 NADH. Diversamente, quando i livelli di glucosio circolanti sono elevati, il fegato ed il muscolo attivano la glicogenesi, un processo che conserva e accumula il glucosio in polimeri di glicogeno. Per ogni unità di glucosio aggiunta alla catena ramificata del glicogeno è utilizzata una molecola di ATP. Durante il digiuno, invece, le risorse energetiche si mobilizzano a livello epatico e muscolare mediante l’attivazione della glicogenolisi, un processo catabolico attivato da segnali ormonali (glucagone) e da neurotrasmettitori (adrenalina), che consente la scissione del polimero di glicogeno in unità di glucosio-1-fosfato. Nel fegato, nei reni e nell’intestino il glucosio-1-fosfato è convertito in modo reversibile in glucosio-6-fosfato e successivamente rilasciato sottoforma di glucosio libero al fine di riportare la glicemia a livelli fisiologici. Un altro processo catabolico coinvolto nel metabolismo del glucosio è la glicolisi che rappresenta il primo segmento della respirazione cellulare e si verifica principalmente nel citoplasma; la glicolisi è una catena di reazioni che non richiede ossigeno e, pertanto, è anche attivata in organismi anaerobi. Consiste in dieci reazioni che prevedono la conversione di ogni molecola di glucosio in due molecole di piruvato, generando 2 ATP + 2 NADH+H+. Uno degli enzimi chiave che regola la glicolisi è la fosfofruttochinasi, che accelera o rallenta il processo in base alle necessità energetiche. Negli organismi anaerobi, il piruvato può essere metabolizzato in acetyl CoA e successivamente convertito in trigliceridi o ossidato mediante il ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA)5.
Metabolismo dei lipidi. I lipidi rappresentano una categoria di molecole con proprietà chimiche eterogenee e funzioni diversificate; ad esempio i grassi e gli olii sono adibiti alla conservazione dell’energia, mentre altri lipidi fungono da cofattori (vitamina K), ormoni (ormoni sessuali) e molecole del segnale intracellulare (eicosanoidi). Il processo che regola la biosintesi degli acidi grassi e dei trigliceridi è la lipogenesi. Gli acidi grassi (FAs) sono lipidi introdotti con la dieta sotto forma di mono-, di- e tri-gliceridi che possono essere prodotti nel nostro organismo a livello epatico grazie a 4 reazioni catalizzate da un complesso citosolico in cui l’acetil-CoA viene convertito in malonil-CoA che successivamente partecipa al sistema di allungamento della catena acilica. Il prodotto finale di tale reazione è il palmitato. Gli FAs così generati a livello epatico o introdotti con la dieta danno origine ai trigliceridi a seguito di reazioni di esterificazione ad una molecola di glicerolo, e in seguito sono secreti in circolo sotto forma di complessi lipoproteici denominati lipoproteine a bassa densità (VLDLs). I tessuti periferici riconoscono tali complessi e liberano gli FAs mediante l’attivazione delle lipoproteine lipasi (LPL) destinandoli alla conservazione o alla produzione di energia. Quando le risorse energetiche sono insufficienti, come durante il digiuno o dopo esercizio fisico, l’organismo attiva la lipolisi, processo esoergonico regolato da ormoni metabolici che avviene specialmente nel tessuto adiposo e che provvede al rilascio di FAs. Inoltre, nei mitocondri la β-ossidazione converte gli FAs in unità di acetil-CoA che viene ulteriormente ossidato nel ciclo TCA. Entrambi i processi, β-ossidazione e ciclo TCA, determinano la liberazione di cofattori FADH2 e NADH+H+ che partecipano alla fosforilazione ossidativa generando ATP.
Metabolismo delle proteine. Comprende una serie di processi anabolici responsabili della sintesi delle proteine e degli amminoacidi e processi catabolici adibiti alla degradazione proteica. I mammiferi sono in grado di sintetizzare solo alcuni amminoacidi definiti non essenziali (glicina, alanina, serina, glutammina etc.), diversamente da altri, definiti essenziali, che richiedono l’introduzione con la dieta. Le proteine assunte con l’alimentazione vengono scisse in amminoacidi per azione di enzimi proteolitici (peptidasi) ed in seguito assorbiti e trasportati nei tessuti periferici. In relazione al loro destino metabolico gli amminoacidi si distinguono in glucogenici e chetogenici. I primi subiscono reazioni di transaminazione e deaminazione e successivamente sono ossidati a CO2 e H2O per generare ATP mediante il ciclo TCA e la fosforilazione ossidativa. I secondi possono essere convertiti in acetil-CoA contribuendo alla formazione dei corpi chetonici5.

Figura 1. Principali interazioni tra metabolismo del glucosio, dei lipidi e delle proteine.

Bibliografia

  1. Højlund, K. Metabolism and insulin signaling in common metabolic disorders and inherited insulin resistance. Dan. Med. J. 61, B4890 (2014).
  2. Adam, J., Yang, M., Soga, T. & Pollard, P. J. Rare insights into cancer biology. Oncogene 33, 2547–56 (2014).
  3. Duarte, J. M. N., Schuck, P. F., Wenk, G. L. & Ferreira, G. C. Metabolic Disturbances in Diseases with Neurological Involvement. aging Dis. 5, 238–55 (2014).
  4. Normal and Diabetic Blood Sugar Level Ranges – Blood Sugar Levels for Diabetes. at <https://www.diabetes.co.uk/diabetes_care/blood-sugar-level-ranges.html>
  5. Valori di riferimento della glicemia – Diabete.com. at <https://www.diabete.com/valori-di-riferimento-della-glicemia
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