Biochimica sistematica umana , Dispense di Biochimica Medica. Università di Firenze
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djdoctor24 giugno 2017

Biochimica sistematica umana , Dispense di Biochimica Medica. Università di Firenze

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Dispense biochimica sistematica umana
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BIOCHIMICA SISTEMATICA

UMANA

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1. BIOCHIMICA DEL TESSUTO ADIPOSO

  Il tessuto adiposo è largamente distribuito nell’organismo, quasi quanto il tessuto muscolare scheletrico; ha varie funzioni tra le quali, in primis, quella di   riserva   energetica,   poi   di   termogenesi   e   di   isolamento   termico.   Più recentemente   è   stato   osservato   che   l’organo   adiposo   ha   una   funzione endocrina, quindi produce una serie di ormoni, perciò va considerato come una vera e propria ghiandola. 

Morfologia e localizzazione del tessuto adiposo

Esistono due distinti tipi di tessuto adiposo, uno bianco e l’altro bruno. Una cellula di tessuto adiposo bianco è occupata prevalentemente da una grande goccia lipidica ricca in trigliceridi, gli organuli e il nucleo sono schiacciati a lato   della   cellula   ed   il   colore   giallo   opalescente   è   dettato   dalla  minore respirazione rispetto al tessuto adiposo bruno.  Il tessuto adiposo bruno deriva invece il suo nome dall’elevata quantità di mitocondri   presenti   al   suo   interno   (il   colore   dei  mitocondri   è   dato   dai citocromi i cui colori sono compresi tra il rosso e il marrone; PGC1 α è un regolatore   della   proliferazione   dei  mitocondri   e   induce   un  metabolismo termoregolatorio), le cellule sono più piccole e i depositi che si presentano anche; il nucleo e la sua attività trascrizionale sono più massicce. Dal punto di vista di distribuzione anatomica il tessuto adiposo bianco è molto  esteso,  differentemente   rispetto   al   tessuto  adiposo  bruno,  presente però in elevate  quantità   nei   neonati.   E’   importante   sottolineare   che   seppur   in   piccola quantità,  il  tessuto adiposo bruno è  presente anche nell’adulto, dove però può plasticamente aumentare in accordo con alcuni fattori quali il freddo, l’esercizio   fisico,   lo   stile   di   vita,   intendendo   con   questa   espressione l’esposizione al caldo e al freddo; studi compiuti dal medico Saverio Cinti hanno dimostrato  che  la   temperatura  alla  quale   il  corpo dovrebbe essere sottoposto durante l’inverno deve essere inferiore ai 20 °C, l’esposizione a temperature   più   basse   ha   infatti   come   effetto   lo   svilupparsi   di   ampie porzioni   di   tessuto   adiposo   bruno   con   il   conseguente  minor   rischio   di insorgenza di sindrome metabolica. Un’altra differenza tra tessuto adiposo bianco e bruno è l’innervazione simpatica, alta nel tessuto adiposo bruno e scarsamente   distribuita   in   quello   bianco,   questo   perché   il   primo   è maggiormente   esposto   alle   catecolamine   e   deve   loro   rispondere.   La vascolarizzazione è molto poco rilevante nel tessuto adiposo bianco, risulta invece il contrario per quello bruno poiché esso deve rispondere agli stimoli ormonali.

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Funzioni del tessuto adiposo

La   principale   funzione   del   tessuto   adiposo   bianco   è   quella   di   riserva energetica,   l’adipe   trattiene  al   suo   interno   i   trigliceridi  e  ne  permette   la veicolazione nell’organismo. Per quanto riguarda il tessuto adiposo bruno, esso rappresenta la sede elettiva di termogenesi anche se può svolgere altre funzioni. La termogenesi non è esclusivo appannaggio del tessuto adiposo bruno e si  compone di  due tipologie,  una prima effettuata dalla  proteina termogenina (tessuto adiposo bruno), l’altra è poi data da tutta quella serie di   reazioni   continue   che   abbiamo   nel   tessuto   adiposo   bianco   e   che riguardano   l’idrolisi   dei   trigliceridi.   Il   lavoro   svolto   per   l’idrolisi   di trigliceridi sviluppa calore perché il legame estere presente tra ogni acido grasso e il gruppo ­OH del glicerolo è ad alta energia ed esoergonico.  La quantità   di   calore   sviluppatasi   tramite   questo   processo   “chimico”   è cospicua   ed   è   indipendente   dal   meccanismo   indotto   dalla   proteina termogenina.  Ci sono inoltre altre risposte di cui parlare, la risposta al freddo è mediata dagli ormoni catecolamine ed è prevalente nel tessuto adiposo bruno ma non ne è esclusiva, c’è infatti una lieve risposta anche nel tessuto adiposo bianco perché esiste una plasticità propria del tessuto adiposo: non è detto che una cellula bianca lo rimanga per tutta la durata della sua vita, come non è vero che una cellula bruna non possa trasformarsi nel corrispettivo bianco; i due fenomeni alla base di questa possibile differenziazione o ‘ridifferenziazione’ prendono   il   nome   di  browning  e  whitening.   Il  browning  rappresenta ‘l’imbrunimento’ tramite il quale una cellula bianca può  diventare bruna; con il   termine  whitening  ci  si  riferisce invece alla  trasformazione di una cellula bruna in bianca. Da qualche anno, in seguito alla scoperta di questa plasticità  propria del  tessuto adiposo, non si  parla più  soltanto di tessuto adiposo bianco e tessuto adiposo bruno ma anche di tessuto adiposo beige, perché   esso   rappresenta   il  colore  che  si  può  ottenere  mischiando alcune linee di bruno con quelle bianche e di tessuto adiposo rosa che si sviluppa nella   ghiandola   mammaria   dopo   la   lattazione   (pinking).   I   processi   di whitening e browning sono regolati e molto importanti da un punto di vista biomedico   poiché   vanno   ad   impattare   sulla   sindrome  metabolica   o   di Reaven che è plurisfaccettata, di grande interesse   clinico e sembra essere correlata ad obesità ed ipercolesterolemia. 

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Metabolismo dei tessuti adiposo bianco e bruno; browning e whitening

Il metabolismo dell’adipe, sia bianco sia bruno, si basa sugli acidi grassi; quello del tessuto adiposo bianco è un meccanismo di delivering degli acidi grassi  per  gli  organi  che   li  necessitano,   il  metabolismo della   trigliceride lipasi   è   quindi  molto   importante.  Nel   caso   in   cui   le   concentrazioni   di glucosio siano particolarmente elevate è possibile anche l’utilizzo di questo metabolita soprattutto nel tessuto adiposo bianco, altrimenti in condizioni preprandiali   prevale   il   metabolismo   degli   acidi   grassi. Il   tessuto   adiposo   bruno   invece   non   è   un  magazzino,   gli   acidi   grassi vengono scissi tramite una efficace   ossidazione β pro sua e poi il gradiente elettrochimico derivante dalla elevata quantità di mitocondri viene dissipato sotto   forma   di   calore. La   proteina   disaccoppiante,   cioè   la   UCP   (UnCupping   Protein)   o termogenina è pressoché assente nel bianco e largamente presente nel bruno; esistono più  versioni di UCP,  la 1 è  presente nel   tessuto adiposo bruno, UCP2 è presente anche in altri organi ed è molto espressa in alcuni tumori anche se non si è ancora compreso quale sia il suo ruolo al loro interno; è stato dimostrato che oltre a trasportare ioni H+  questa proteina trasferisce anche acidi grassi. I recettori adrenergici con cui il tessuto adiposo risponde agli stimoli indotti dalle catecolamine sia come ormoni endocrini che come neurotrasmettitori sono prevalentemente i recettori di tipo  . I recettori sonoβ 1,  2 e  3 e sono tutti  accoppiati  alla genesi di cAMPβ β β 1.  La quantità  di

cAMP   stimolato   è   poi   la   responsabile   del   comportamento   del   tessuto

1La sua struttura deriva dall’AMP con l’aggiunta di un legame fosfodiestere tra l’ossigeno in posizione 3’ e l’ossigeno del CH2 in posizione 5’ dello zucchero. Il legame fosfodiestere è molto stabile e crea un circolo molto teso. La biosintesi del cAMP è effettuata da un enzima che prende il nome di adenilato ciclasi, attivato dal segnale ormonale, prende l’ATP, a cui stacca un pirofosfato formando AMP. Il pirofosfato derivante dalla reazione diventa il substrato della pirofosfatasi inorganica che lo scinde in due molecole di fosfato inorganico. Dato che il cAMP è il secondo messaggero deve rimane all’interno del citoplasma per il tempo necessario alla trasduzione del segnale; una volta terminata la propagazione del segnale, un enzima detto fosfodiesterasi idrolizza il legame fosfodiestere, distruggendo la molecola. Il cAMP attiva la PKA che ha azione fosforilante nel meccanismo delle proteine G. Esistono delle bevande, come il caffè e il the (con effetto adrenalizzante ed energizzante) capaci di inibire la fosfodiesterasi per aumentare gli effetti del segnale. Gli ormoni che si servono di questo secondo messaggero sono: adrenalina, noradrenalina, ACTH (ormone adenocorticotropo), TSH (ormone tireostimolante), FSH (ormone follicolostimolante), LH (ormone lutenizzante) e glucagone.

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adiposo. I due tessuti risponderanno in maniera diversa allo stimolo delle catecolamine: il bianco va ad attivare la trigliceride lipasi2, mentre nel bruno la   PKA   va   ad   attivare   la   trascrizione,   attraverso   il   suo   regolatore trascrizionale CREBP, di geni importanti attivanti in primis UCP tramite la deiodinasi dell’ormone tiroideo, in grado di indurre la formazione di T3 che è   il   principale   regolatore   trascrizionale   di   UTP   e   quindi   dell’attività termogenica del tessuto adiposo bruno. La deiodinazione endocrina aumenta le capacità termogenetiche del tessuto adiposo e l’enzima corrispondente, 5’ deiodinasi, è espresso anche in altri tessuti ma soprattutto in adiposo bruno (nel   bianco   è   pressoché   assente). Cosa   fa   il   tessuto   adiposo   bianco   da   un   punto   di   vista   metabolico? Prevalentemente   lavora  con gli  acidi  grassi  e   lo   fa   in  maniera canonica, quindi tramite la   ossidazione per quanto riguarda il catabolismo, nel casoβ di   anabolismo   opera   invece   tramite   la   sintesi   di   trigliceridi   utilizzando glicerolo  3P.  Un  altro  metabolismo  del   tessuto   adiposo   è   lo   shuttle   del glicerofosfato,   che   assieme   a   quello   del   malato/aspartato   permette   il trasferimento del  NADH citosolico all’interno del mitocondrio.  Il   tessuto adiposo presenta il primo shuttle perché ha a disposizione in modo continuo il   glicerolo  3P,  molecola   che   serve   al   tessuto  grandemente   e   che  viene sintetizzata nel fegato tramite la glicerolo chinasi che non è ubiquitaria ma propria del solo organo epatico, oppure nel tessuto adiposo a seguito del metabolismo   anabolico.   Il   glicerolo   3P   viene   usato   per   la   sintesi   di trigliceridi   che   possono   poi   essere   utilizzati   all’interno   della   sede   di produzione oppure in altre  localizzazioni dell’organismo per mezzo della lipolisi.  La   lipolisi  è  un processo estremamente   importante  e   largamente utilizzato, compiuto dalla trigliceride lipasi.  La trigliceride lipasi si attiva tramite fosforilazione e permette di rilasciare acidi grassi liberi e glicerolo. La trigliceride lipasi funziona secondo fosforilazione e defosforilazione, le quali sono regolate da specifici ormoni. Nel caso dell’ormone insulina, esso va ad attivare le fosfatasi che vanno sulle lipasi e le defosforilano così che i trigliceridi vengono mantenuti in sede. Al contrario la fosforilazione della lipasi   grassa   viene   attivata   dalla   PKA   cAMP   dipendente   e   gli   ormoni implicati nel processo di attivazione della PKA sono glucagone, epinefrina e norepinefrina,   ormone   adrenocorticotropo,   idrocortisone,   TSH, prostaglandine.   Per quanto riguarda il   tessuto adiposo bruno,  la molecola principale è   la termogenina, un canale che permette di dissipare il gradiente elettrochimico

2 Esistono due tipi di trigliceride lipasi, una che funziona in assenza di controllo ormonale, l’altra dipendente da glucagone ed adrenalina. La fosforilazione dell’enzima ormone dipendente determina l’attivazione per fosforilazione delle perilipine. Le perilipine sono delle proteine poste nelle immediate vicinanze dei vacuoli ricchi in trigliceridi e hanno il compito di facilitare la fuoriusciuta dei grassi e l’accesso delle lipasi agli stessi vacuoli.

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dei   protoni   a   cavallo   delle   due  membrane  mitocondriali   impedendo   la generazione di ATP, sostituita dalla produzione di calore con funzione di omeostasi.   La   termogenesi   è   regolata   dalle   catecolamine   che   vanno   a stimolare   il   recettore  β3   presente   sulla   membrana   adiposa   cosicché   si attivano cAMP e conseguentemente   PKA. La PKA migra nel nucleo e va ad associarsi alla proteina CREB (cAMP response element binding protein) e di conseguenza attiva i geni dipendenti da cAMP; tra i vari geni regolati dal cAMP c’è anche quello che esprime UCP. CREB entra nel nucleo, lega il DNA e attiva la trascrizione di UCP. La proteina neosintetizzata va poi a disporsi tra la membrana interna e quella esterna del mitocondrio e svolge le sue   funzioni.  L’ormone  tiroideo  attraverso   la  deiodinazione   intratissutale provoca un effetto simile.               Si   è   parlato   in   dettaglio   della   stretta   correlazione   tra   gene   e   proteina decodificata  per   riferirsi  ad uno specifico  fenomeno del   tessuto  adiposo, browning e whitening sono infatti attivati da specifici processi trascrizionali attivati da geni. Il processo trascrizione alla base della plasticità del tessuto adiposo è attivato da uno specifico fattore, PPAR  , il cui recettore riceveγ segnali di prostaglandine ed acidi grassi ed è inoltre il target di numerosi farmaci   antidiabetici   quali   i   tiazolidinedioni   o   TZT. Nel tessuto bruno, dove i geni del tessuto adiposo bruno vengono attivati e quindi   si   compie   il  browning,   PPAR    γ è  legato   ad     un   regolatore trascrizionale, PRDM 16, quando è deacetilato; se invece PPAR γ presenta i suoi residui di lisina acetilati in seguito ad una modifica post traduzionale, esso   è   staccato   dal   proprio   regolatore   trascrizionale.   Chi   è   che   opera l’acetilazione e la deacetilazione della proteine? Le proteine acetilasi e le deacetilasi,   nella   fattispecie   gli   istoni   acetilasi   e   deacetilasi,   lavorano prevalentemente sugli istoni ma anche su altre strutture molecolari. Alcune deacetilasi sono dette sirtuine ed entrano in gioco anche nei processi inerenti l’adipe;   in  particolare  la  proteina  SIRT1 è  un sensore metabolico  che  si attiva   in  presenza  di  elevate   concentrazioni  di  NAD+  (quindi   in   caso  di povertà  energetica).  SIRT1 dopo essersi attivata va a deacetilare,  per cui stacca   il   gruppo   acetilico   dai   residui   di   lisina   di  PPAR   γ  cosicché quest’ultimo si lega con PRDM 16 per dare inizio al  browning. Viceversa, quando l’acetilazione è intonsa su PPAR γ, esso non lega PRDM 16 e quindi non attiva il  browning.   In sintesi  si può  affermare che  il  browning è  un processo che si verifica in condizioni di starvazione nutrizionale, quindi in condizioni  di   restrizioni  calorica   il  browning  è   favorito.  Al contrario,   in condizioni di larghezza calorica il whitening è favorito. E’ importante avere un apporto calorico regolato per avere uno shift verso il browning.  Il  browning  è   anche   regolato   dalle   catecolamine,   nella   fattispecie   dalla liberazione   a   livello   del   sistema   nervoso   simpatico.   Se   un   individuo   è esposto   al   freddo,   a   livello   ipotalamico   lo   stimolo   viene   recepito   e   si liberano   le   catecolamine   e   la   noradrenalina   sembra   svolgere   un   ruolo

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principale,  poiché  evidentemente i  neuroni  noradrenergici,  cioè   i  neuroni secernenti   prevalentemente   noradrenalina,   sono  maggiormente   stimolati, vanno sui recettori  β3 che sono elettivamente secreti a livello del tessuto adiposo   e   attivano   la   proteina  Gα  che  poi   attiva   l’adenilato   ciclasi   con successivo aumento della concentrazione di cAMP che agisce su CREB che a sua volta lega elementi di risposta sul DNA i quali vanno a trascrivere dei geni del  browning; dunque i geni del  browning non sono regolati dal solo PPAR γ, ma anche da altri sistemi, tra cui il precedentemente detto e anche dall’esposizione   al   freddo   (Il   caldo   sviluppa   obesità   e   diabete,   poiché favorisce lo  whitening,  in cui il  tessuto bianco corrispondente è  correlato alla  Sindrome Metabolica).   Individui  che vivono a basse  temperature,  al freddo, e che non cerchino di variare la temperatura, aumentandola, hanno una minore probabilità di insorgenza di Sindrome Metabolica. Un’altra via di  attivazione del  browning  è   l’esercizio  fisico,  esiste   infatti  un ormone, l’irisina,  che viene secreto dal muscolo scheletrico che ha la funzione di secernere   fattori   solubili   che   agiscono   su   altri   organi.   L’irisina   viene prodotta a livello del plasma perché  il  muscolo produce una proteasi che viene   secreta  nel   torrente   circolatorio  dove  entra   in   contatto   con  questo ormone per poterlo attivare; la proteolisi limitata è un processo attivatorio nei  confronti  di  proteine  ed  ormoni.   Il  muscolo,   in  condizioni  di   sforzo molto pressanti, secerne una proteasi che taglia un fattore plasmatico, con successiva formazione di irisina, la quale va poi a stimolare i recettori posti sulle cellule staminali adipose provocandone il differenziamento in tessuto adiposo bruno. Gli sportivi hanno una quantità di tessuto bruno mediamente molto   superiore   rispetto   ai   non   sportivi   e   questo   fenomeno   è   per   loro benefico   e   protettivo   in   termini   di   insorgenza   di   sindrome  metabolica; l’esercizio stimola il muscolo che a sua volta stimola la proteasi FMIG 5 che entra nel torrente circolatorio dove causa la formazione di irisina che va poi a differenziare le cellule bianche in brune e quindi aumenta la capacità di spendere energia, cioè eliminare l’eccesso di energia introdotto dalla dieta.

Il tessuto adiposo come ghiandola

Il tessuto adiposo è una ghiandola paracrina che secerne tutta una serie di adipochine   che   vanno   ad   agire   sul   tessuto   adiposo   stesso   andando   ad influenzarne   le   funzioni.   I   principali   fattori   escreti   dall’adipe   sono lipoproteina lipasi, adiponectina, TGF β, TNF α, dipoleptina, interleuchina 6 e leptina. Hanno funzioni diverse tra loro: la leptina regola i centri di sazietà e pericolo ed è secreta proporzionalmente alla quantità di tessuto adiposo presente nell’organismo; TGF β, TNF α e interleuchina 6, secrete dal tessuto viscerale,   sono   citochine   proinfiammatorie   e   si   presentano   in   alte concentrazioni   a   livello   del   tessuto   adiposo   bianco   che,   se   aumenta eccessivamente in quantità,  (obesità) predispone alla Sindrome metabolica

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in cui le suddette citochine si trovano in uno stato di infiammazione latente perché   vengono   secrete   sempre   generando   uno   stato   di   infiammazione cronica; il primo stadio della malattia interessa i vasi sanguigni che iniziano a   diventare   particolarmente   resistenti   causando   perturbazione cardiocircolatoria. Gli effetti pro diabete nel tessuto adiposo sono dovuti alla citochina proinfiammatoria TNF α che causa resistenza all’ormone insulina, passaggio  obbligatorio  di  qualunque  diabete  di   tipo   I.    Anche   il   fattore adiponectina è   correlato  all’insulinoresistenza  (oltre  che a  dare uno shift verso il  browning), questo ormone, estremamente benefico, viene prodotto dal tessuto adiposo non viscerale e dà potenziamento dell’efficacia, quindi una   quantità   di   adiponectina   circolante   è   estremamente   indicativa   di benessere. E’ importante sottolineare che anche il tessuto bianco presenta qualche   caratteristica   peculiare:   la   divisione   in   tessuto   adiposo   bianco viscerale e non viscerale permette infatti di distinguere due zonazioni che secernono ormoni diversi. Il tessuto adiposo bianco non viscerale è benefico poiché produce adiponectina che ha la capacità di dar luogo ad un segnale insulinomimetico. Il tessuto adiposo viscerale, invece, riveste gli organi e ha funzione protettiva, ma è poco vascolarizzato e se lo è i vasi sono i primi a risentire dell’effetto degli ormoni proinfiammatori; inoltre esso rappresenta la sede principale di biosintesi di questi ormoni, dunque più è ampia la cinta lipoide peggio è in termini di sviluppo della sindrome metabolica. Il grasso viscerale   è   prevalentemente   maschile   tant’è   che   gli   uomini   tendono   a mettere massa grassa nella cinta viscerale, per le donne invece l’accumulo avviene in gambe, glutei, fascia del bacino e ghiandole mammarie. 

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L’adiponectina   ha   un   recettore   accoppiato   a   proteine   G3  anche   se quest’ultimo presenta una particolarità: l’NH2  solitamente posto all’esterno si trova all’interno, ma non se ne conosce il motivo. Questo recettore ha una funzione   insulinomimetica   poiché   va   ad   attivare   il   segnale   insulino­ dipendente guidato dall’insuline receptor substrate 1 (IRS1) innescando la cascata segnalatoria tipica dell’insulina; è detto “mimetico” perché mima la funzione dell’insulina pur non essendolo ma agisce sui suoi stessi recettori. Gli   organi   su   cui   l’ormone   adiponectina   agisce   sono   gli   stessi   bersagli dell’insulina.

3 Sono costituiti da una molecola recettrice che si trova sulla superficie cellulare, è molto grande e formata da sette domini transmembrana. Questa è capace di interagire con una proteina G intracellulare posta in prossimità del recettore. La proteina G è regolata dal legame con il GTP e rappresenta un interruttore molecolare (è attiva quando lega il GTP e inattiva quando lega il GDP), ne conosciamo di due tipi differenti: monomerica (rappresenta un secondo messaggero) e trimerica (è correlata al recettore). Le proteine G trimeriche sono costituite da tre subunità:,  e  che svolgono compiti diversi nella trasduzione del segnale. Una volta che l’ormone entra in contatto con il recettore, innesca un cambiamento conformazionale con la conseguente trasduzione del segnale alla proteina G trimerica che si lega al recettore e al GTP, attivandosi. Questo determina il distacco della subunità -GTP dal dimero  che rimane adeso al recettore. Esistono varie sottoclassi di G: GS che stimola l’effettore, ad esempio l’adenilato ciclasi a produrre cAMP, oppure si associa al canale ionico per il Ca2+ (nel cuore  aumento della contrazione cardiaca) e al canale ionico per il Na+ determinando un’apertura dei canali; GI ha un effetto inibitorio sull’adenilato ciclasi; GQ agisce sulla fosfolipasi C regolando la chiusura dei canali del Ca2+; G è detta anche trasducina ed è connessa al meccanismo della visione poiché trasduce il segnale fotonico ed ha come effettore la fosfodiesterasi che diminuisce la concentrazione di cGMP, si sposta lungo il margine intracellulare della membrana e a valle trova l’effettore (che può essere l’adenilato ciclasi o fosfolipasi C; il primo ha come secondo messaggero il cAMP mentre il secondo ha il 1,2-diacilglicerolo e inositolo-1,4,5- trifosfato o IP3). Abbiamo anche il SARC tirosin-chinasi che è regolata da recettori associati alle proteine G, oppure anche i canali ionici rappresentano degli effettori) che viene attivato. Supponiamo che si stia parlando dell’adenilato ciclasi, la sua attivazione determina un aumento della concentrazione di cAMP. Gli ormoni che attivano l’adenilato ciclasi attraverso la subunitàGS sono: adrenalina, noradrenalina, glucagone e ACTH (ormone adenocorticotropo), mentre l’ormoni principale inibisce questo effettore attraverso la subunità GI è laprostaglandina E1.Una volta che la subunità G si è diretta verso l’effettore, staccandosi dal dimero , questo rimane adeso al recettore e risulta importante per la desensitizzazione dello stesso. La terminazione del segnale avviene per reclutamento di una chinasi conosciuta come -arrestina chinasi che a sua volta fosforila e attiva la - arrestina; quest’ultima arresta l’attività del recettore temporaneamente (permettendo una riattivazione successiva) sequestrandolo in delle vescicole endocitotiche. La subunità G si dirige verso l’adenilato ciclasi attivandolo e questo determina un aumento della concentrazione di cAMP; l’aumento del cAMP innesca l’attivazione di una proteina PKA, questa è costituita da 4 subunità: 2 regolatorie che legano due molecole di cAMP, 2 catalitiche che hanno attività fosforilante; questa può agire a breve termine sui processi metabolici; oppure avere attività al lungo termine: la PKA migra nel nucleo e fosforila una proteina nucleare detta CREB, a sua volta si lega al promotore CRE che attiva geni che rispondono al cAMP. Altri stimoli che vanno a regolare la proteina G:

 VASOPRESSINA: ha un recettore VR collegato alla proteina G che attiva la subunità GI per cui inibisce la concentrazione di cAMP e la PKA;

 ADRENALINA: agisce sul recettore adrenergico, il sottotipo  si lega a GS causando un aumento di cAMP e attivando PKA;

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La leptina dà invece un segnale di sazietà, è secreta dalle cellule del tessuto adiposo bianco ed è proporzionale alla quantità di quest’ultimo; il recettore per   la   leptina   è   associato   a   chinasi   che   fosforilano   intracellularmente molecole come AMP chinasi. L’AMPK si attiva con l’AMP e, diversamente al cAMP che è un segnale ormonale sotto il controllo di altri ormoni quali catecolamine o insulina, il suo segnale  non viene generato da ormoni ma da condizioni   di   povertà   energetica.  Alte   concentrazioni   di  AMP   indicano povertà  energetica  così  che   l’AMP non può  essere  fosforilato  a   formare ATP;   in   questa   situazione   dunque,   la   cellula   utilizza  AMPK che   opera sull’AMP andando a fosforilarlo nel caso di necessità. Se invece abbiamo altre concentrazioni di ATP la chinasi è inibita. AMPK è costituita da tre subunità,  α,  β  e  γ,   in   cui  γ  lega   AMP   e   induce   una   modificazione conformazionale che attiva il segmento  α che ha azione fosforilante sia su stessa (autoattivazione  che rende l’azione dell’enzima più efficace) che su altri pathways biochimici, infatti ha azione ossidante sugli acidi grassi liberi andando a fosforilare l’acetil CoA carbossilasi che così risulta inattiva e non sintetizza  malonil  CoA che  è   un   regolatore  negativo  della   degradazione degli acidi grassi. Ergo avrò un aumento della β ossidazione, viene regolata inoltre  negativamente la  sintesi  del  glicogeno tramite fosforilazione della glicogeno   sintasi   e   inattivata   la   sintesi   proteica   tramite   l’inibizione   di MTOR   che   altrimenti   andrebbe   a  migliorare   l’attività   del  mitocondrio. L’ormone causa un aumento degli enzimi della  β ossidazione, un aumento nel numero dei GLUT. AMPK induce sazietà. Nel caso di diminuzione del tessuto adiposo si ha anche un minor rilascio di leptina   cosicché   si   induce   la   fame;   l’ormone   ha   azione   oressizzante,   la temperatura  cala  e  ci   si   limita  nell’esercizio   fisico;   in  queste  condizioni l’attività   riproduttiva  e   il  ciclo  mestruale  si   sospendono.  Viceversa  se   la leptina  aumenta,   il   recettore  viene   stimolato   e   avviene  una  diminuzione della fame,  in questo caso c’è  un effetto anoressizzante con conseguente aumento della spesa energetica e adeguate attività riproduttiva e simpatica. Esistono   anche   altri   ormoni   oressizzanti   ed   anoressizzanti:   la   grelina   è sintetizzata nello stomaco ed è oressizzante e rappresenta l’antagonista di un fattore prodotto nell’intestino, TYY, che controlla la presenza del bolo al suo interno.

 LUCE:attiva il recettore rodopsina che attua un cambiamento conformazionale in risposta ad uno stimolo luminoso, questo recettore è legato alla GI che determina un abbassamento della concentrazione di cGMP con conseguente chiusura dei canali del Ca2+ e Na+, permettendo la visione al contrario si avrebbe il buio;

 ODORANTI:i recettori sono collegati a proteine G olfattive che possono collegarsi ad effettori diversi come fosfolipasi C o adenilato ciclasi;

 GUSTO: ci sono molto recettori per il dolce, salato, amaro e glutammato. Si associa a subunità G-GUST e seguono la regolazione positiva dell’adenilato ciclasi.

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BIOCHIMICA DEL FEGATO

E’ l’organo più importante dal punto di vista metabolico poiché svolge una serie di reazioni così ampia da essere il principale attore nella gran parte delle vie metaboliche precedentemente descritte.

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Sono poche le attività non svolte dal fegato: in primis, quest’ultimo non svolge il catabolismo dei corpi chetonici e tende a non compiere glicolisi che viene avviata soltanto in caso di basse condizioni glicemiche nel sangue. Il fegato è un tessuto metaboliticamente attivo, è una ghiandola esocrina, è una ghiandola endocrina. Essendo un tessuto metaboliticamente molto attivo, svolge numerose funzioni:

1. Sintetizza una quantità incredibile di proteine: tutte le proteine plasmatiche vengono sintetizzate dall’organo epatico il quale spende molta energia nell’anabolismo proteico; l’energia viene ricavata dal catabolismo lipidico. Tra le proteine sintetizzate abbiamo una particolare classe di proteine, le VLDL (very low density lipoproteins) che sono di origine epatica e inviano i lipidi di rielaborazione, o secondariamente alimentari, in giro per il torrente circolatorio.

2. La gluconeogenesi è un processo metabolico prettamente epatico, anche se non esclusivamente, in quanto in caso di digiuno prolungato il rene entra nella gluconeogenesi massicciamente, occupandosi lui stesso del processo per un 30-40%.

3. L’escrezione dell’azoto è un fenomeno prevalentemente epatico, con cui ci si riferisce all’eliminazione fisica dell’azoto poiché tutti i tessuti utilizzano azoto, o tramite transaminazione oppure tramite la produzione di glutammina come carrier plasmatico, ma solo il fegato è in grado di eliminare completamente l’azoto aminico altrimenti tossico, mediante il ciclo dell’urea.

4. La sintesi del colesterolo avviene anch’essa nel fegato. Il colesterolo ha un ruolo essenziale nella fisiologia delle molecole umane. Il colesterolo può creare problemi in quanto esiste un sistema di catabolismo che troppo spesso, a causa di una alimentazione eccessivamente ricca in alimenti di origine animale, induce situazioni di ipercolesterolemia. A differenza infatti delle ipercolesterolemie familiari che hanno un’origine genetica, quelle acquisite sono dovute ad un’alimentazione che se da una parte aumenta i valori delle vitamine avendo un apporto benefico, dall’altra causa un eccessivo aumento di colesterolo esogeno che l’organismo umano ha difficoltà ad eliminare a causa di un non molto sviluppato sistema catabolico.

5. La sintesi dei corpi chetonici è di pertinenza epatica, ma mai il catabolismo.

6. In più il fegato è responsabile del catabolismo dell’eme, produce un catabolita terminale che è la bilirubina la quale viene riversata nella bile e diviene poi biliverdina che, come suggerisce il nome ha un colore verdastro. La bilirubina ha un ruolo benefico in quanto è un antiossidante plasmatico, svolge un ruolo importante nel plasma nel preservarlo con alti valori antiossidanti assieme ad altre molecole.

Il fegato come ghiandola

Per quanto riguarda il fegato come ghiandola, esso è una ghiandola esocrina perché produce la bile che permette la digestione di molecole idrofobiche, nella fattispecie tutti i lipidi, ma è anche endocrina e questo è un aspetto relativamente nuovo in quanto gli acidi grassi ottenuti tramite l’azione

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emulsionante della bile, non sono soltanto dei nutrienti, come si era soliti pensare in passato, in grado di dare un elevato apporto in termini energetici con la produzione di ATP, ma alcuni di essi presentano dei recettori che attivano segnali all’interno della cellula con terminale attivazione di porzioni di DNA. Ecco perché ci si può permettere di utilizzare per molti acidi grassi il termine ormone, con il quale si identifica una molecola in grado di causare una risposta. Gli acidi grassi del fegato sono particolari, ramificati, qualche volta idrossilati e inoltre possono essere a catena molto lunga superiore a 22 atomi di carbonio. Questi acidi grassi hanno dei loro recettori intracellulari che si associano ad un apparato biosintetico trascrizionale del DNA, legano degli elementi di risposta sul DNA e regolano la trascrizione di una serie di geni. La funzione endocrina del fegato si esplica in:

1. Gestione degli xenobiotici, molecole esterne prive di valore nutrizionale, in cui l’attività di detossificazione produce molti ROS e coinvolge una serie di molecole che svolgono il ruolo di regolatori trascrizionali. La detossificazione funziona attraverso la mobilitazione degli acidi grassi epatici che attivano dei regolatori trascrizionali.

2. Le adipochine, sebbene siano ormoni prodotti dal tessuto adiposo, vengono prodotte in minima parte anche nel fegato e hanno attività endocrina. Tra di esse la più importante è la leptina che gestisce l’appetito, ma vi figurano anche molecole come l’adiponectina, una insulino-mimetica che in caso di mancata biosintesi dell’insulina ne mima il segnale.

Non è ancora possibile classificare con certezza estrema il fegato come ghiandola endocrina ma in futuro vi sarà un quadro un po’ più chiaro a tale riguardo.

Il fegato e il glucosio

Il fegato può, a differenza della maggior parte degli organi dell’organismo umano, reimmettere il proprio glucosio, conservato all’interno degli epatociti, nel sangue, a causa della presenza di un enzima, la glucosio 6P fosfatasi che è in grado di trasformare il glucosio 6P in glucosio libero che può quindi fuoriuscire dalla cellula ed andare ad aumentare la glicemia (innalzamento della glicemia). Inoltre il fegato è in grado di immagazzinare il glucosio al suo interno tramite la glicogeno sintesi che è una via biosintetica attivamente regolata dal fegato e da numerosi ormoni come insulina e glucagone, oppure da molecole a lungo raggio come i glucocorticoidi che agiscono in un lasso temporale più ampio ma mantengono la loro risposta per un intervallo di tempo maggiore. La glicogeno sintesi prevede la biosintesi di una molecola, il glicogeno, che ha dei problemi sterici poiché molto idratabile e di conseguenza molto grande. A causa delle relativamente piccole dimensioni del fegato non è possibile accumulare un’elevata quantità di glicogeno al suo interno, ecco perché la glicogenolisi è un processo che, in seguito all’attivazione in condizioni di digiuno, ha una durata breve e tende ad esaurirsi dopo 24 h. L’idratabilità del glicogeno, che porta ad un mancato impacchettamento funzionale, purtroppo è una limitazione; ciò nonostante per sostentare la glicemia si può utilizzare questo sistema che è anche molto

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conveniente poiché dà luogo ad un risparmio di ATP con produzione di glucosio 1P che viene isomerizzato in glucosio 6P senza l’utilizzo della glucochinasi. Il fegato è anche in grado di fare glicolisi, sempre seguita dal ciclo di Krebs. Se il fegato decide di fare glicolisi, vi associa sempre la respirazione, ecco perché il metabolismo è di tipo aerobico con conseguente mancata produzione di lattosio. A causa dell’esercizio di un metabolismo di tipo respiratorio il fegato è molto ricco in mitocondri che presentano complessi della catena di trasporto elettronica particolarmente attivi. Il fegato fa la glicolisi ob torto collo, in casi straordinari nei quali la glicemia ha superato di molto i valori normali ma non indurrà mai un processo fermentativo con conseguente produzione di lattosio, anzi prediligerà un metabolismo ossidativo grazie all’attivazione del catabolismo dei TCA. Il bolo molto eccessivo di glucosio dà luogo ad un reshaping dei nutrienti perché si supera la quantità di glicogeno accumulabile nel fegato, si supera la necessità di rimpolpare la glicemia e il glucosio in eccesso viene convertito in lipidi, quindi avremo un’attivazione della lipogenesi. La lipogenesi passa attraverso la glicolisi; il ciclo degli acidi tricarbossilici viene invece bypassato perché l’acetil CoA che deriva dalla glicolisi fino alla piruvico deidrogenasi non serve più e viene incamerato in una molecola meno impacchettabile, un trigliceride. Dall’acetil CoA produrremo acidi grassi che verranno impacchettati nei trigliceridi, i quali prenderanno la strada del torrente circolatorio diventando parte integrante delle VLDL. Dall’acetil CoA il fegato è in grado di ricavare anche il colesterolo. La biosintesi del colesterolo è estremamente regolata dal punto di vista ormonale, dall’insulina in particolare; certo è che il fegato è il principale organo alla base della biosintesi del colesterolo anche se altri ne sono in grado di farla, ad esempio il tessuto adiposo e quello muscolare. Altra via metabolica importante del fegato, che rende conto di un 30% del consumo di glucosio, è la via dei pentoso fosfati, in cui il glucosio è convertito in pentosi e NADPH. Lo scopo del fegato in rapporto al ciclo dei pentoso fosfati è finalizzato alla produzione di NADPH, utile per numerose reazioni antiossidanti e anaboliche e non a rimpolpare il processo glicolitico. In alternativa è possibile inoltre compiere gluconeogenesi dai pentosi oppure fermarsi ai pentosi che sono quanto di necessario in una cellula per la produzione di RNA, costituente base dei nucleotidi delle proteine plasmatiche.

Il fegato e i grassi

I grassi rappresentano il pathway principale del fegato, di essi quest’organo usa il potenziale energetico tramite la β ossidazione. La β ossidazione nell’organo epatico avviene per ogni tipo di acido grasso, sia che esso sia a corta catena, a lunga catena, insaturo, oppure che abbia delle ramificazioni molto complicate. Di solito i tessuti catabolizzano prevalentemente acidi grassi a media catena come il palmitato oppure l’oleato, senza andare oltre, il fegato al contrario catabolizza tutto e quindi ha una pletora di enzimi particolarissimi che gli permettono di utilizzare ogni acido grasso, quindi dal punto di vista catabolico è l’organo per eccellenza che li utilizza.

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In più, un altro aspetto estremamente attivo nel fegato è la biosintesi degli acidi grassi il cui precursore può essere il glucosio che tramite glicolisi e ciclo degli ATC produce acetil CoA che è in grado, previa trasformazione in citrato, di fuoriuscire dalla membrana mitocondriale epatica per riversarsi nel citoplasma e dare inizio all’intero processo biosintetico. Oppure un altro possibile metodo di rielaborazione lipidica è dato dalle proteine; esistono infatti aminoacidi glucogenici e chetogenici, i primi possono dare origine a glucosio e quindi rendere conto del tamponamento della ipoglicemia oppure produrre acetil CoA, i secondi originano invece solo acetil CoA. E’ quindi possibile affermare che il fegato è in grado di ottenere lipidi anche dalle proteine alimentari, non è invece possibile per l’organo ricavare lipidi dalle proteine endogene: sono presenti due tipi di metabolismi proteici, un primo che catabolizza le proteine alimentari, un altro che si attiva durante il digiuno e che catabolizza le proteine endogene conservate nella massa muscolare. Le proteine muscolari vengono catabolizzate alle scopo di rialzare la glicemia in caso di digiuno prolungato, quindi gli aminoacidi glucogenici delle proteine muscolari sono fondamentali; ecco che il fegato che è l’organo coinvolto nella gestione di questi aminoacidi durante il digiuno non forma lipidi ma al contrario genera glucosio, quindi c’è differenza a seconda che si sia in uno stato alimentare normale o di digiuno. Il fegato catalizza anche la biosintesi di lipoproteine che è direzionata verso la produzione di VLDL. Le VLDL sono lipoproteine con una componente proteica in termini di apolipoproteine, e soprattutto triglicerica (ricordiamo che i trigliceridi contengono glicerolo il quale può subire fosforilazione soltanto all’interno del fegato così da poter sintetizzare glicerofosfolipidi e trigliceridi). All’interno delle VLDL oltre alla componente dei trigliceridi si situano anche i fosfolipidi che vengono così portati ai vari organi, e il colesterolo, massicciamente sintetizzato nel fegato. In più, sempre dal punto di vista lipidico, il fegato produce i corpi chetonici senza però utilizzarli, le sue funzioni sono quelle di sintesi e di successiva esportazione. Nel fegato avviene anche la biosintesi dei sali biliari, derivati del colesterolo e di natura anfipatica quindi in grado di interagire con molecole lipidiche da un lato e con molecole di natura idrofilica dall’altro. La presenza degli acidi biliari è fondamentale poiché emulsiona gli acidi grassi rendendoli così bersaglio degli enzimi catalitici disposti a livello dell’apparato digerente.

Il fegato e gli aminoacidi

Il fegato sintetizza le proteine plasmatiche tramite gli aminoacidi, per cui ne deve catalizzare la sintesi nel caso in cui gli aminoacidi non siano essenziali, se altrimenti gli aminoacidi sono essenziali, il fegato ne supporta il catabolismo. Per la biosintesi delle proteine serve un’elevata quantità di GTP poiché i ribosomi, ogni qualvolta facciano un legame peptidico, ne consumano un sacco; GTP significa fare ATP che viene ricavato dalla β ossidazione. Le proteine endogene del fegato vengono continuamente rinnovate e sintetizzate de novo poiché il sistema di produzione porta alla formazione di molte specie reattive dell’ossigeno che hanno un’azione devastante sulle componenti proteiche poiché ne vanno a ledere la struttura.

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Gli aminoacidi vengono continuamente sintetizzati nel fegato ed in seguito trasportati nei tessuti poiché molti di questi ultimi non sono in grado di generare strutture aminoacidiche completamente corrette. Pur essendo vero che molti tessuti sono in grado di generare da soli gli aminoacidi necessari alle funzioni, il fegato svolge comunque un ruolo di aiuto tramite la biosintesi e il trasporto. Nel plasma vi sono poi dei trasportatori specifici disposti sulla superficie di membrana dei tessuti, essi incorporano gli aminoacidi di derivazione epatica. Il metabolismo degli aminoacidi è connesso anche a quello dei nucleotidi e dell’eme; la correlazione tra metabolismo peptidico e acidi nucleici è dettata dalla stretta relazione, già precedentemente accennata, che lega l’RNA ribosomiale con la biosintesi proteica. L’anabolismo dei nucleotidi è particolarmente attivo nell’organo epatico (vd. Vie di ricupero), mentre c’è una minore tendenza alle reazioni cataboliche. Il fegato è legato agli aminoacidi anche e soprattutto per le reazioni di deaminazione e per il ciclo dell’urea, particolarmente dispendiose. Il costo in termini di produzione dell’urea è particolarmente elevato poiché affinché questa molecola atossica possa generarsi sono necessari gruppi NH3+ che devono essere trasportati dalla glutammina, dall’aspartato e dall’alanina. La glutammina trasporta due gruppi amminici, l’alanina transamina in piruvato rilasciando il gruppo NH3+ all’α chetoglutarato che a sua volta con una reazione di tipo ossidativo libera il gruppo aminico che in sede mitocondriale epatica va sul carbamilfosfato e si ingaggia la biosintesi dell’urea. In seguito all’attivazione del ciclo dell’urea il fegato è costretto ad un secondo lavoro poiché i gruppi deaminati che si vanno a ritrovare nel cytosol dell’organo, piruvato, α chetoglutarato e ossalacetato non possono rimanere tali e l’organo epatico è costretto a trasformarli in glucosio. Quindi i trasportatori dei gruppi aminici, dopo aver compiuto la loro funzione, devono essere trasformati in glucosio, avviene la gluconeogenesi come meccanismo addizionale obbligato. Il glucosio nuovamente sintetizzato viene trasferito nel torrente sanguigno dove rialza la glicemia e va agli organi glucosio dipendenti come muscolo e tessuto nervoso. La gestione dell’azoto è molto pesa da un punto di vista epatico, non solo in termini di azoto in sé ma anche per evitare situazioni patologiche come quella del coma ammoniacale, dettato da un dismetabolismo del ciclo dell’urea e non è dovuto all’ammoniaca ma al blocco del ciclo di Krebs perché un eccesso di ammoniaca blocca la biosintesi di α chetoglutarato con conseguente rigenerazione di glutammato. Abbiamo reversione della reazione di deaminazione ossidativa con conseguente depauperamento di α chetoglutarato che blocca il ciclo di Krebs. Le cellule nervose sono particolarmente sensibili a questo effetto. Il piruvato che deriva dal catabolismo degli aminoacidi può andare verso la gluconeogenesi oppure reinserirsi nel contesto del ciclo dell’alanina ristabilendo un rapporto peculiare col muscolo.

Specificita’ del fegato

A. In primis abbiamo gli acidi biliari che sono appannaggio esclusivo del fegato, che in questo caso si comporta da ghiandola esocrina;

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vengono secreti nella bile e hanno il ruolo di solubilizzare le molecole lipidiche che altrimenti tenderebbero a separarsi dal bolo alimentare. I sali biliari sono molecole anfipatiche derivanti dal colesterolo e si dividono in acidi grassi primari e secondari. Gli acidi grassi primari sono quelli sintetizzati dal fegato, i secondari sono invece sintetizzati dall’intestino stesso ad opera di batteri simbionti in grado di creare numerose modificazioni. Nel caso di trattamento antibiotico molto forte i batteri simbionti diminuiscono, quindi gli acidi biliari secondari diminuiscono cosicché abbiamo difficoltà nel metabolismo dei lipidi tanto che le cellule assumono un colore che va dal giallo al bianco, poiché rimangono grassi indigeriti. Gli acidi biliari primari sono prevalentemente due: l'acido glicocolico e quello taurocolico; glicocolico perché deriva dall’addizione di una glicina come parte idrofila e taurocolico poiché origina da un aminoacido non proteico che non fa parte delle proteine e che prende il nome di taurina. Queste molecole che derivano dal colesterolo sono simili a quest’ultimo ma presentano peculiarità distintive come la perdita del doppio legame e la ricchezza in idrossili.Queste molecole si inseriscono tra i lipidi e le altre molecole idrofile; inoltre agli acidi biliari primari se ne associano necessariamente altri di secondari, molto numerosi e assolutamente necessari per una completa digestione del bolo alimentare.

B. L’altro appannaggio non esclusivo ma prevalente del fegato è la biosintesi del colesterolo. La biosintesi del colesterolo avviene a partire da acetato, prevede una serie di reazioni iniziali comuni con la sintesi dei corpi chetonici fino a formare nel caso dei corpi chetonici il β idrossi β metilglutaril CoA, nel caso della biosintesi del colesterolo questo intermedio viene poi convertito in acido mevalonico. L’acido mevalonico è la prima molecola caratteristica della biosintesi del colesterolo, infatti per comprendere, quando abbiamo condizioni di ipercolesterolemia, se questa è di origine alimentare e quindi dovuta ad una scorretta alimentazione oppure se è dettata da una eccessiva biosintesi endogena, si va a dosare l’acido mevalonico. Eseguite le varie tappe della sintesi e attraverso l’intermedio terminale squalene si ottiene infine la molecola di colesterolo che si andrà ad esterificare con un acido grasso tramite ACAT che attacca il gruppo acile dell’acido grasso al gruppo ossidrile del carbonio 3 del colesterolo. Questo meccanismo evita la presenza di gruppi idrofili sul colesterolo che così può inserirsi all’interno di una lipoproteina trasportandovi dentro anche un acido grasso. Nelle lipoproteine non tutto il colesterolo è esterificato ma non è così per quelle derivanti dal fegato in cui il colesterolo viene prevalentemente esterificato; c’è una differenziazione tra colesterolo alimentare che quindi non sta nelle VLDL e che si presenta esterificato, e colesterolo dei chilomicroni il quale non è esterificato. ACAT è un enzima molto importante e in condizioni di malfunzionamento il delivering del colesterolo ai vari tessuti nelle VLDL non è ottimale. I lipidi di origine alimentare arrivano all’intestino e vengono distribuiti nei chilomicroni che sono largamente presenti nel sangue

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e, in caso di analisi diagnostiche influenzano i risultati, nel caso in cui il paziente non si sia sottoposto a digiuno, poiché creano un anello bianco sul prelievo così da renderlo inutilizzabile.

Le lipoproteine plasmatiche

A livello dei capillari i chilomicroni possono cedere a tutti gli organi che ne fanno richiesta, tramite l’esposizione della lipoproteina lipasi, i lipidi trasportati. I rimanenti dei chilomicroni vanno al fegato che recupera tutto ciò che non è stato utilizzato, sia la componente proteica che quella lipidica e utilizza ciò che di cui ha bisogno. Chiaramente essendo il suo metabolismo fortemente lipidico, una parte di essi verrà usata pro domo sua, l’altra viene invece inserita nelle lipoproteine di origine epatica VLDL che ripartono e vanno in circolo. Il colesterolo all’interno delle VLDL sarà prevalentemente esterificato e accompagnerà gli altri lipidi di origine non primariamente alimentare. Le VLDL successivamente evolvono nelle cosiddette lipoproteine intermedie o IDL la cui successiva evoluzione è rappresentata dalle LDL. Le LDL sono l’evoluzione massimale delle lipoproteine e sono quasi prive della componente nutrizionale ma ricche in eccesso di colesterolo che non è stato preso dagli organi; non è un caso che il colesterolo delle LDL venga definito normalmente colesterolo cattivo, esso infatti rappresenta lo specchio di quanto colesterolo inutile sia presente in circolo. Il colesterolo LDL si contrappone a quello HDL, rappresentato da lipoproteine di origine tissutale in grado di trasferire lipidi. La presenza di lipoproteine e di albumina è assai importante poiché permette il trasporto del colesterolo, che curiosamente a differenza di tutte le altre molecole organiche non ha una via catabolica ma viene continuamente reinviato al fegato da parte degli altri tessuti tramite le HDL. Sebbene non possa avvenire una completa eliminazione del colesterolo, è possibile ricavarne gli acidi biliari che tra l’altro possono, tramite la via opposta, riformare questa molecola; tale affermazione permette di ipotizzare che dunque in passato l’apporto di colesterolo non doveva essere molto alto, tant’è che era necessario rigenerarlo nuovamente. Un altro prodotto di pseudo catabolismo del colesterolo è rappresentato dagli ormoni da esso derivanti. Si può dunque concludere che pur non esistendo una via catabolica in grado di distruggere il colesterolo, gli acidi biliari, gli ormoni steroidei e soprattutto le HDL rappresentano i sistemi messi in atto dall’organismo e dai tessuti extraepatici nel tentativo di eliminarlo indirettamente. Tornando alle lipoproteine, tutte vanno al fegato, le sole VLDL si originano dall’organo epatico, le altre vengono continuamente reincamerate dal fegato attraverso una spesa energetica molto dispendiosa.

C. Altro meccanismo metabolico appannaggio del solo fegato è la biosintesi dei corpi chetonici. I corpi chetonici acetoacetato, β idrossibutirrato con funzione metabolica, e acetone, disperso tramite il respiro a causa dell’alta volatilità, trasportano agli organi nutrienti a breve raggio. I corpi chetonici sono sintetizzati a partire da acetil

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CoA e il loro catabolismo negli organi extraepatici rigenera quest’ultimo. L’acetil CoA per un tessuto respirante è benzina per l’esecuzione del ciclo di Krebs, quindi fare i corpi chetonici e dare modo ad altri tessuti di catabolizzarli significa produrre energia. Il fegato in condizione di eccesso di acetil CoA dunque produce corpi chetonici che vanno in circolo. I corpi chetonici hanno il difetto di essere acidi per cui nel plasma inducono una prima chetosi che poi può aggravarsi in acidosi la quale crea problemi nei bambini che a differenza degli adulti hanno maggiore difficoltà nel tamponarla. Un eccesso di acetil CoA può essere causato da varie situazioni, come ad esempio un’iperalimentazione di tipo lipidico oppure può essere dovuto ad un digiuno di tipo prolungato. Un digiuno prolungato induce l’attivazione epatica della gluconeogenesi e quindi necessita di ossalacetato che viene ottenuto depauperando il ciclo di Krebs di quest’ultimo metabolita; il ciclo tende così a bloccarsi e il consumo di acetil CoA in condizioni di digiuno prolungato si abbassa drasticamente. Purtroppo il fegato, pur essendo alla base della sintesi dei corpi chetonici, non è in grado di utilizzarli, allora invia i prodotti verso alcuni organi specifici, in particolare il β idrossibutirrato, molto redditizio perché produce NADH, viene trasferito al cervello; l’acetoacetato va invece ad essere captato da muscolo cardiaco e scheletrico. Per l’utilizzo dei corpi chetonici è fondamentale l’enzima β chetoacil CoA transferasi che è assente dal fegato, motivo per il quale dunque questi metaboliti non vengono usati nell’organo epatico. Perché il fegato non usa i corpi chetonici? I corpi chetonici non vengono utilizzati dal fegato in quanto la loro biosintesi e la successiva degradazione condurrebbero ad un ciclo futile.

D. Per quanto riguarda i glicidi ci sono dei metaboliti tipici del fegato ed in particolare essi sono i due zuccheri fruttosio e galattosio, i quali possono essere catabolizzati esclusivamente dall’organo epatico. Dismetabolismi di questo organo si traducono in conseguenti dismetabolismi di questi zuccheri; ad esempio se prendiamo il fruttosio sappiamo che esso può rientrare nella glicolisi secondo due metodi, uno che si basa sulla fosforilazione da parte dell’esochinasi, l’altro sull’azione dell’enzima fruttochinasi; questa varietà enzimatica permette in ogni caso un catabolismo dello zucchero, motivo per il quale i dismetabolismi da fruttosio, solitamente correlati a malfunzionamenti dell’aldolasi, risultano meno frequenti rispetto a quelli correlati al galattosio. Il galattosio infatti presenta una sola via catabolica collegata all’enzima galattochinasi e le patologie correlate al suo malfunzionamento prendono il nome di galattosemie e sono molto più diffuse rispetto a quelle correlate al glicide differente. Problematiche nell’assunzione di fruttosio sono rappresentate dalla carenza di fosfofruttochinasi I in cui abbiamo un mancato assorbimento dello zucchero che viene ritrovato in piccole quantità nelle urine; questa carenza non è poi così grave. La carenza di aldolasi B invece è più seria come effetti, è relativamente rara ma costringe il paziente ad eliminare il fruttosio dalla dieta (quindi si devono evitare frutta e cibi contenenti il saccarosio).

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Per quanto riguarda il galattosio gli enzimi importanti per il catabolismo sono due, una transferasi, che trasferisce sull’UDP e una epimerasi. Il malfunzionamento di uno di questi enzimi alla base del catabolismo del galattosio genera una serie di malattie che vanno sotto il nome di galattosemie. La galattosemia di tipo 2 induce una precipitazione delle proteine a livello oculare con formazione di cataratta; l’enzima che non funziona correttamente è la galattochinasi, che ricordiamo va a fosforilare il galattosio in posizione 1. Questa malattia non è particolarmente grave in quanto esiste sempre l’esochinasi che quindi può sostituire la galattochinasi nella sua funzione. Le galattosemie di tipo 1 e 3 sono invece dettate da scorretto funzionamento di transferasi ed epimerasi, il fenotipo tende ad essere maggiormente complesso, la trasformazione del galattosio in glucosio non avviene; la galattosemia di tipo 1 è letale, la 3 è dovuta a mutazioni dell’epimerasi, la vita è possibile ma è necessario impedire il consumo di lattosio.

Il fegato e la glicemia

La glicemia o concentrazione ematica di glucosio prevede l’espressione della sua concentrazione normale attraverso due modalità espresse secondo un range di valori che vanno da 4,5 a 5 mM oppure tra 60 e 90 mg/ml. L’abbassarsi della glicemia prevede la presenza di segnali neurologici nel tentativo di combattere l’ipoglicemia che nel caso in cui si aggravi ulteriormente induce una sintomatologia caratterizzata da fame acuta, tremiti continui, abbassamento della temperatura corporea, convulsioni che in caso di coma ipoglicemico portano il paziente alla morte. Il primo organo che soffre di depauperamento da ipoglicemia è il tessuto nervoso. Il superamento del valore di 90 mg/ml porta ad uno stato patologico che potrà indurre il diabete mellito e il successivo coma iperglicemico. I problemi relativi ad un’eccessiva concentrazione di glucosio nel sangue sono più tardivi nella loro insorgenza. Il corpo umano si difende da questi sbalzi nella concentrazione di glucosio attraverso il mantenimento costante della glicemia. Un primo sistema per il mantenimento dell’omeostasi glicemica è rappresentato da una serie di enzimi, tra i quali figurano la glucochinasi 4 e la glucosio 6 fosfatasi che

4La esochinasi 4, anche conosciuta come glucochinasi, è espressa dal fegato. La glucochinasi si attiva soltanto in condizioni di elevate concentrazioni di glucosio nel sangue e dunque se la glicemia è eccessivamente alta. Parlando di kM essa varia tra esochinasi e glucochinasi: l’esochinasi va su molto rapidamente, contrariamente alla glucochinasi che va su più lentamente. Se la kM è 1M significa che se anche ho valori bassissimi di glucosio l’esochinasi continua a segregare il glucosio tramite fosforilazione. La glucochinasi ha una kM tendente ai 6, è quindi a valori superiori alla normoglicemia: il fegato fosforila il substrato glucosio soltanto in caso di superamento della normoglicemia. Lavorando sulla kM di due enzimi l’organismo si è assicurato che tessuti dipendenti dal glucosio possano continuare a dipenderci anche in condizioni di ipoglicemia mentre tessuti che come il fegato sono abbastanza indipendenti non ne abbiano bisogno. Un altro livello di regolazione è correlata anche ad un altro aspetto: l’esochinasi 4 opera all’interno del citoplasma, se segregata all’interno del nucleo non serve, perché possa avvenire l’inattivazione interviene la proteina regolatoria dell’esochinasi 4 che lega l’esochinasi e la segrega all’interno del nucleo in seguito alla stimolazione tramite il fruttosio 6P che quindi ha funzione inattivante. Il fruttosio 6P è un intermedio della glicolisi, quando è alto

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agiscono con funzioni opposte. La glucosio 6P fosfatasi permette la liberazione del glucosio nel sangue ed è un enzima a localizzazione prettamente epatica anche se è presente nel rene e si attiva in situazioni di forte digiuno. Tramite il trasportatore GLUT 2 il glucosio passa nel torrente circolatorio e rimpolpa la glicemia. Questi due enzimi rappresentano la chiave del controllo glicemico poiché agiscono subitaneamente, immediatamente. Al di là del controllo immediato abbiamo anche un controllo di tipo ormonale detto prandiale perché riferito ai pasti scanditi durante la giornata. La concentrazione ematica di glucosio dopo un pasto aumenta senza però presentare dei picchi eccessivamente grandi poiché quest’ultimo provocherebbe una situazione di glicazione delle proteine, una modifica non operata da enzimi mediante la quale il glucosio si lega alle proteine plasmatiche e ne modifica le funzioni. La glicazione delle proteine plasmatiche è un tipico effetto di un diabete non controllato. Uno dei marker del controllo del diabete è l’emoglobina glicata attraverso la quale si comprende se il paziente è stato diligente o meno nella cura del diabete. Subito dopo il pasto c’è un picco di insulina, questo perché l’insulina viene liberata immediatamente dopo un aumento della glicemia, anzi la liberazione di insulina è causata dall’aumento di glicemia. Il glucosio entra all’interno delle cellule β del pancreas dove compie glicolisi e il conseguente aumento di ATP stimola i canali del potassio che si aprono, entra Ca2+ e si liberano i granuli di secrezione contenenti l’insulina. Il rilascio dell’insulina è regolato direttamente dall’assunzione di cibo. L’insulina sposta i trasportatori GLUT 4 dalla sede intracellulare sulle membrane che in questo modo prendono il glucosio dal sangue e permettono un abbassamento dei valori glicemici. L’abbassamento della glicemia causa il rilascio successivo di un ulteriore ormone, il glucagone. Tramite il glucagone si gestisce il periodo preprandiale, quello che prepara l’organismo ad un nuovo pasto e stimola la fame nell’individuo. Glucagone e insulina vengono entrambi liberati dal pancreas in risposta ad un innalzamento o ad un abbassamento della glicemia. Un basso livello di glucosio stimola la sintesi di glucagone che va a disporsi sui propri recettori epatici attivando un metabolismo basato sulla glicogenolisi e incrementando la glicemia. In caso contrario, ovvero nel momento in cui la glicemia è molto alta, l’insulina ne stimola l’ingresso all’interno della cellula cosicché avviene un abbassamento della sua concentrazione nel sangue. Gli organi che più rispondono all’azione ormonale sono il muscolo e il tessuto adiposo, dove l’insulina stimola l’uptake di glucosio, oppure il fegato dove invece il glucagone stimola la gluconeogenesi nonché la glicogenolisi. L’azione altruista del fegato si può ben osservare nei due cicli di Cori e dell’alanina in cui l’accettore terminale del glucosio prodotto dall’organo epatico è il muscolo.

significa che la glicolisi sta funzionando correttamente, motivo per il quale l’epatocita smette di fosforilare il glucosio, in questo modo l’esochinasi viene segregata dentro al nucleo. Viceversa se il glucosio si alza nella sua concentrazione, quindi si supera la normoglicemia ciò stimola la fuoriuscita dell’esochinasi 4 dal nucleo. Quindi i livelli di regolazione della esochinasi 4 sono due, uno a livello della kM e l’altro riferito alla segregazione spaziale all’interno del nucleo.

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Il ciclo di Cori trasporta dal muscolo al fegato il lattato, il ciclo dell’alanina trasferisce al fegato dal muscolo questo aminoacido. I due cicli hanno un effetto finale uguale, al fegato si dà il compito di fare gluconeogenesi con qualcosa che arriva dal muscolo.

2.7 Il ciclo di Cori

Il ciclo di Cori prevede una simbiosi tra muscolo e fegato. Il muscolo fa la glicolisi, produce acido lattico che viene esportato e inserito nel fegato tramite un trasportatore specifico, inoltre è presente una lattico deidrogenasi detta M (muscle). Il fegato esprime la lattico deidrogenasi H che viene espressa anche dal cuore, avido di lattato. La differenza tra le due lattico deidrogenasi sta nel fatto che la deidrogenasi del fegato ha una specifica attitudine a trasformare il lattato in piruvato, che poi supporta la gluconeogenesi alla base della sintesi di glucosio che poi verrà successivamente trasferito al muscolo.

2.8 Il ciclo dell’alanina

Simile al ciclo di Cori, esso varia per il mancato coinvolgimento del lattato, al posto del quale viene inserita l’alanina. L’alanina è un prodotto di transaminazione dal piruvato. Il muscolo invia gruppi aminici al fegato sia sotto forma di glutammina, come fanno tutti gli altri tessuti, sia tramite l’alanina che è specifica dell’apparato contrattile. L’alanina in seguito alla sua espulsione dal muscolo passa nel fegato dove subisce transaminazione e genera NH3+ che entra nel ciclo dell’urea e piruvato che segue la via della gluconeogenesi. Il ciclo dell’alanina ha due funzioni in quanto produce nuovamente glucosio, come avviene nel ciclo di Cori, e trasporta anche un gruppo aminico che esce dal muscolo e va al fegato nel quale avviene il dispendioso ciclo dell’urea.

Funzione simbiontica del fegato

Il fegato, per poter svolgere al meglio le proprie funzioni deve entrare in contatto con gli altri organi del corpo umano così da originare un’interdipendenza tale da mantenere l’integrità delle vie metaboliche. La cooperatività tra il fegato e gli altri organi è ben visibile nell’azione di insulina, glucagone e digiuno.

 Insulina 5

5 Presenta un recettore con attività tirosino chinasica intrinseca. Sono recettori dotati di attività enzimatica (tirosin-chinasica), nella forma silente si trovano allo stato monomerico, successivamente, al contatto con il ligando queste dimerizzano per un processo detto di TRANSFOSFORILAZIONE (fosforilazione del recettore). I recettori ad attività tirosin- chinasica esistono in tre categorie:

i. Un recettore costituito da due subunità monomeriche, ognuna delle quali entra in contatto con una molecola di ormone. Questo legame permette al recettore di dimerizzare e transfosforilare il domino intracellulare. Il capostipite di questa categoria è il recettore per l’EGF (epidermal growth factor, fattore di crescita dell’epidermide).

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Nel fegato abbiamo l’ingresso di glucosio stimolato dall’insulina che bypassa il trasportatore GLUT 2 facendo coalescere dalla membrana il trasportare GLUT 4. L’insulina è l’unico ormone in grado di far fare glicolisi al fegato, il quale inoltre fa anche glicogeno sintesi e attiva il ciclo di Krebs. Un’altra caratteristica propria dell’insulina è l’aumento dell’uptake aminoacidico nell’organo epatico poiché i trasportatori degli aminoacidi presenti sul fegato vengono stimolati dal recettore per l’ormone. Gli aminoacidi, in seguito all’ingresso all’interno degli epatociti, vengono inseriti nelle strutture proteiche a formare proteine plasmatiche. Inoltre un ulteriore anabolismo indotto dall’insulina è la biosintesi dei trigliceridi che vengono poi impacchettati a formare le VLDL. Le VLDL trasportano i trigliceridi e il colesterolo verso il muscolo e il tessuto adiposo. Nel muscolo il trasportatore GLUT 4 fa entrare massicciamente il glucosio all’interno della cellula, viene stimolata la glicolisi, avviene la biosintesi proteica e aumenta la glicogeno sintesi che a differenza di quella epatica produce un polisaccaride con funzione pro sua. Il glicogeno muscolare è infatti prodotto esclusivamente per le funzioni del muscolo, al contrario quello epatico viene distribuito ai vari organi; tutto ciò avviene per la mancanza della glucosio 6P fosfatasi nell’organo contrattile. Il tessuto adiposo utilizza i trigliceridi delle VLDL incorporandoli nei vacuoli e in più li sintetizza sotto azione dell’insulina. Perché possa avvenire la biosintesi di trigliceridi nel tessuto adiposo è

ii. Un recettore costituito da quattro subunità (2  e 2 ) già dimerizzate per la presenza di ponti disolfuro, rappresenta il recettore per l’INSULINA.

iii. Un recettore simile al primo: prima monomerico che dimerizza al contatto con l’ormone ma a differenza del primo il sito di legame è unico. Un esempio è quello per il PDGF, derivato dalle piastrine che determina la proliferazione delle cellule mesenchimali.

Dopo la dimerizzazione e la transfosforilazione del recettore, il segnale viene trasdotto attraverso varie modalità, la più comune è quella delle MAP chinasi: in questo caso abbiamo un growth factor e una proteina adattatrice che prende il nome di GR2 e possiede due domini uno SH2 e uno SH3 (questi sono stati scoperti per la prima volta in una proteina detta SARC e poi riscontrati in altre proteine con funzione correlata). Il dominio SH2 ha affinità per le tirosine fosforilate del recettore, mentre il dominio SH3 non lega tirosine fosforilate ma zone contenenti amminoacidi, ricche di prolina; queste zone fanno parte di proteine dette SOS. La proteina SOS, una volta che si è legata al dominio SH3, si attiva e va a fosforilare una piccola GTPasi detta RAS, che ha come regolatore il GEF (le GTPasi sono proteine che si attivano attraverso il legame con il GTP e s’inattivano attraverso il legame con il GDP, inoltre sono regolate da dei regolatori come il GEF e il GAP). Fino alla RAS siamo ancora adesi al recettore, questa, una volta attivata, va a trasdurre il segnale all’interno del citoplasma, dove passa attraverso l’attivazione di una cascata di chinasi. Il primo ad essere attivato è la RAF (MAPKKK) che si attiva attraverso il legame con la RAS. La RAF fosforila un’altra chinasi conosciuta con il nome di MEC (MAPKK); infine la MEC fosforila la MAPK (mytogen activate protein kinase, proteina chinasi attivata da tutti gli ormoni mitogeni) in due siti diversi, una treonina e una tirosina. Le MAPK dimerizzano ed entrano nel nucleo, dove vanno a fosforilare dei regolatori della trascrizione, in particolare un complesso regolante un elemento di risposta sul DNASRE (“S” sta per siero poiché quest’ultimo media la risposta di quei geni coinvolti nella replicazione) alla base della proliferazione cellulare.

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necessario il glicerolo che viene fosforilato a livello epatico e viene aggiunto di due esterificazioni. Il tessuto adiposo, essendo abbastanza diffuso nell’organismo, ha un ruolo simile a quello del muscolo poiché esprime il GLUT e partecipa all’abbassamento della glicemia.

 Glucagone Quest’ormone compie un’azione opposta a quella dell’insulina, dà un segnale di sintesi di glucosio, quindi di gluconeogenesi, blocca la glicolisi, aumenta l’uptake di glicerolo, aumenta l’uptake di lattato, aumenta l’uptake di alanina perché tutte e tre queste molecole sono gluconeogenetiche. Il glucagone dà quindi un segnale positivo nei confronti di tutti quei substrati gluconeogenetici, ivi compresi gli aminoacidi, con lo scopo non di sintetizzare proteine ma di catabolizzarli e usarne lo scheletro carbonioso per rifocillare il ciclo di Krebs. Il glucagone agisce anche nel tessuto adiposo in cui fosforila la perilipina e la trigliceride lipasi con conseguente liberazione degli acidi grassi. Sebbene il rilascio degli acidi grassi non crei influenze sulla glicemia, c’è comunque un sostentamento di tutte quelle cellule in grado di fare β ossidazione. Il muscolo non risponde al glucagone poiché non ha recettori, motivo per il quale si capisce come questo organo sia individualista.

I due stimoli anabolico e catabolico vengono regolati dal fruttosio 2,6 bisfosfato. Il fruttosio 2,6 bis-fosfato è un regolatore allosterico positivo: una sua alta concentrazione stimola la glicolisi. Quando la glicolisi deve andare efficientemente significa che la glicemia è molto elevata; ciò induce la sintesi di fruttosio 2,6 bis-fosfato. L’enzima sintetizzatore è regolato dagli ormoni e potrà sintetizzarlo come distruggerlo all’occorrenza. Alta glicemia causa sintesi, bassa glicemia induce la distruzione per impedire l’ulteriore abbassamento della glicemia. Tale affermazione permette di collegarci alla reazione inversa che porta alla costituzione di glucosio: il fenomeno della gluconeogenesi permette di sintetizzare glucosio a partire da riserve immagazzinate negli organi ed è anch’esso regolato dalla presenza del metabolita fruttosio 2,6 bis-fosfato che quindi è, per una via attivatore, per l’altra inibitore. Gli ormoni alla base dei processi precedentemente affrontati sono glucagone ed insulina, con funzioni regolatorie opposte. Per potersi orientare correttamente all’interno del metabolismo glucidico è necessario applicare alcune regole: in primis è necessario ricordare che l’insulina è un ormone ipoglicemizzante, il glucagone fa invece il contrario rialzando la glicemia. L’enzima regolato dagli ormoni insulina e glucagone, alla base della sintesi del fruttosio 2,6 bis-fosfato, prende il nome di fosfofruttochinasi 2 (PFK2), per distinguerla dalla 1 presente nella via glicolitica. PFK 2 ha due siti catalitici, svolge un ruolo di sintesi per il fruttosio 2,6 bis-fosfato ma agisce anche in senso inverso, tramite la PFK 2 fosfatasi viene distrutto il precedentemente detto metabolita. PFK 2 è modificato post traduzionalmente dall’aggiunta di un fosfato nel caso in cui intervenga una proteina chinasi, se contrariamente, il metabolita subisce defosforilazione, entra in gioco una proteina fosfatasi. La protein chinasi è detta protein chinasi A ed è il principale trasduttore ormonale di glucagone, bradichinina, adrenalina, dopamina, noradrenalina. Il nome ‘protein chinasi

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