Appunti di Biochimica: Digestione, Trasporto Transmembrana e Vitamine, Sintesi del corso di Biochimica Metabolica

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BIOCHIMICA DELL’ALIMENTAZIONE

III ANNO SZTPA

ASPETTI BIOCHIMICI DELLA NUTRIZIONE

NUTRIENTI E LORO FABBISOGNO

i nutrienti o principi nutritivi sono sostanze assunte durante il processo di nutrizione; sono indispensabili alla vita e al metabolismo degli organismi viventi, siano essi animali, vegetali, funghi, batteri, archeobatteri o protisti. Sulla base dell’apporto richiesto si distinguono in:

• Macronutrienti (grammi/die): carboidrati, lipidi, grassi, proteine, acqua, alcuni minerali
• Micronutrienti: alcuni minerali, vitamine Sulla base del destino metabolico, i nutrienti si dividono in:
• Nutrienti energetici: per fornire energia per il mantenimento delle funzioni vitali. Per gli animali superiori sono i carboidrati, i lipidi e le proteine.
• Nutrienti plastici: per fornire materiale plastico per la crescita, il rimodellamento, la sostituzione e la riparazione delle cellule. Per gli animali superiori sono principalmente le proteine.
• Nutrienti inorganici: minerali alimentari.
• Nutrienti regolatori: vitamine ed altri composti Attraverso il metabolismo, i nutrienti possono essere convertiti a metaboliti diversi. NUTRIENTI ESSENZIALI Sono quei composti necessari all’organismo ma che non possono essere sintetizzati dal suo metabolismo, o che lo sono in quantità insufficiente, e che devono essere quindi introdotti attraverso la dieta. Per gli animali superiori sono essenziali:
• alcuni amminoacidi proteinogenici
• alcuni acidi grassi
• le vitamine (diverse a seconda della specie)
• I minerali (essendo chimicamente inerti) NUTRIENTI CONDIZIONATAMENTE ESSENZIALI Sono quei nutrienti normalmente prodotti dal metabolismo ma che diventano essenziali in particolare condizioni fisiologiche (ad esempio nel neonato) o patologiche (colina, inositolo, taurina, arginina, glutamine, nucleotidi). RDA La RDA (Recommended Daily Allowance) o dose giornaliera consigliata o dose giornaliera raccomandata, indica la quantità di nutrienti (macro e micro-nutrienti) che una persona in buona salute dovrebbe assumere per soddisfare il suo fabbisogno giornaliero, secondo le attuali conoscenze mediche. Valori raccomandati possono differire a seconda dell’autorità sanitaria che li ha redatti. Ai nutrienti il cui destino metabolico sia la produzione di energia, si può associare un contenuto energetico (teorico). Tradizionalmente non si misura in calorie. Non hanno contenuto calorico i composti che non sono metabolizzati per fornire energia (ad esempio: vitamine, sali minerali, fibre alimentari, composti non digeriti o non assorbiti ecc). Caloria: calore necessario ad innalzare la temperatura di 1g di acqua di 1°C (da 14.5 a 15.5°C) a pressione atmosferica. In nutrizione, la kilocaloria o grande caloria, è l’energia necessaria per innalzare di 1°C la temperatura di 1 kg di acqua distillata a pressione di 1 atm, e corrisponde quindi a 1000 piccole calorie. Joule: lavoro ottenuto quando la forza di 1 Newton applicata ad un corpo, lo sposta di 1 m nella direzione della forza. 1 caloria = 4.18 joule.

Ci sono anche cellule M: sono cellule specializzate, acquisiscono per endocitosi sostanze solubili (proteine) e solide (batteri) tramite la membrana apicale e sono trasferite attraverso la membrana basolaterale per esocitosi. Le sostanze sono quindi processate dai macrofagi. Sono cellule associate all’immunità. Le diverse sostanze nutrienti sono assorbite in diversi tratti del sistema gastrointestinale. IL PANCREAS ESOCRINO L’attività del sistema gastrointestinale è regolata da ormoni gastrointestinali, principalmente la gastrina, la colecistochinina (CCK), la secretina e il GIP. La secretina è un ormone peptidico di 27 amminoacidi prodotto dalle cellule S del duodeno, posto nei primi 25 cm dell’intestino tenue, che stimola la secrezione di bile nel fegato e nel pancreas stimola la secrezione di liquidi alcalini per diminuire l’acidità del succo gastrico. La COLECISTOCHININA (CCK) o pancreozimina (PZ) è un ormone secreto dopo un pasto ricco soprattutto in grassi dal duodeno (e in minor quantità dal digiuno), il quale causa il rilascio di bile dalla cistifellea e di enzimi digestivi pancreatici, stimola la secrezione di insulina e tramite stimolazione vagale determina il senso di sazietà. La GASTRINA è un ormone peptidico (in realtà gruppo di ormoni) prodotto dalle cellule γ (gamma) dello stomaco e nella parte prossimale del tenue. La gastrina stimola la liberazione di acido cloridrico e pepsinogeno. Gli stimoli che inducono a produrla possono essere di natura meccanica (cioè la distensione delle pareti dello stomaco) o di natura chimica, ad opera dei peptidi, amminoacidi, alcool o un ambiente intragastrico troppo basico. Il PEPTIDE INIBITORIO GASTRICO O GIP (Glucose-dependent Insulinotropic Peptide) è un ormone proteico con funzione ormonale secreto da cellule duodenali specializzate. Il GIP viene rilasciato in due fasi all’arrivo del chimo gastrico nella prima porzione dell’intestino tenue. Inizialmente è stimolato dalla presenza di glucidi, in un secondo momento dai grassi; in ogni caso ha la funzione di inibire la secrezione delle cellule ossintiche dello stomaco. IL MICROBIOMA INTESTINALE Il microbioma del sistema gastrointestinale è l’insieme dei microrganismi (batteri, archea, funghi, virus) che risiedono nel tratto g.i in una relazione, non solo commensalistica, ma anche mutualistica. Sono solitamente cellule anaerobie. La composizione varia in relazione al tratto: stomaco ed intestino tenue hanno in genere popolazioni ridotte, mentre il colon ne contiene molto di più, fino a 10^12 cellule/grammo di contenuto intestinale. Senza la flora intestinale, l’uomo non sarebbe in grado di utilizzare alcuni carboidrati, metabolizzati solo da enzimi batterici. I batteri producono, a partire dagli zuccheri, acidi grassi a catena breve (acido acetico, propionico, butirrico). Il microbiota produce anche vitamine come la biotina ed il folato e facilita l’assorbimento di magnesio, calcio e ferro. GLI ENZIMI DELLA DIGESTIONE: ASPETTI GENERALI Gli enzimi sono divisi in classi a seconda del tipo di reazione che catalizzano: 1-ossidoriduttasi, 2 - transferasi, 3 - idrolasi, 4-liasi, 5-isomerasi e 6-ligasi. Gli enzimi coinvolti nella digestione sono tipicamente idrolasi (classe 3); esse catalizzano la rottura di un legame (tra 2 aminoacidi, tra zuccheri o tra lipide e glicerolo) per aggiunta di una molecola d’acqua. IL TRASPORTO TRANSMEMBRANA: ASPETTI GENERALI L’attraversamento della mucosa intestinale può avvenire per via paracellulare (nello spazio tra cellula e cellula) o per via transcellulare (attraversamento delle cellule). Nel caso del TRASPORTO TRANSCELLULARE le molecole non attraversano autonomamente il doppio strato fosfolipidico degli enterociti, quindi hanno bisogno di proteine transmembrana. Sono dette pompe (usano ATP per produrre l’energia per l’attraversamento), canali ionici (utilizzano ioni come

sodio, cloruri) o trasportatori transmembrana (fanno entrare la molecola, subiscono una modificazione e la liberano dall’altra parte della membrana) a seconda del loro meccanismo d’azione. I trasportatori possono essere uniporti (una molecola dall’esterno all’interno), simporti (2 molecole diverse nella stessa direzione dall’esterno all’interno) o antiporti (una molecola va dall’esterno all’interno mentre contemporaneamente un’altra molecola va dall’interno all’esterno). In alcuni casi, l’ingresso nella cellula avviene attraverso un meccanismo vescicolare. Ci sono dei recettori sulla membrana che riconoscono certe molecole e stimolano la formazione di vescicole. TRASPORTO NEL PLASMA: ASPETTI GENERALI Il plasma è una soluzione acquosa con sostanze libere ed altre complessate a proteine. Il plasma contiene molte proteine, in particolare proteine di trasporto, che legano le proteine che entrano nel tratto g.i e le portano all’organo che le necessita. L’albumina costituisce il 60% del plasma, ha molti siti di legame per diversi composti e trasporta acidi grassi, ormoni ecc.

Le due configurazioni 𝛂 e 𝛃 si interconvertono spontaneamente, dando un equilibrio. I vari isomeri non sono ugualmente stabili per motivi sterici. Una conformazione, in soluzione, subisce mutorotazione. Alcuni monosaccaridi, e in particolare i chetoesosi, tendono a ciclizzare per dare anelli a cinque atomi detti furanosici. Il fruttosio esiste sia nella forma furanosica che in quella piranosica. I monosaccaridi di rilevanza alimentare si trovano in:

• frutta e succhi di frutta (glucosio, fruttosio)
• miele (glucosio, fruttosio)
• caramelle (glucosio)
• sciroppi (glucosio, fruttosio)
• vini dolci (glucosio, fruttosio)
• soft drinks, cioccolata, prodotti dolcificati e dolci (glucosioaggiunto). I DISACCARIDI I gruppi ossidrilici di due monosaccaridi possono condensare per dare legami glicosidici. Possono essere coinvolti nel legame sia i gruppi ossidrilici emiacetalici sia quelli alcolici. I gruppi emiacetalici diventano acetalici, i quali sono molto meno riducenti rispetto a quelli emiacetalici (perché non sono più in equilibrio con la forma aldeidica aperta). L’estremità emiacetalica si mantiene riducente. I più abbondanti in natura sono: il maltosio (2 unità di glucosio unite da un legame a-1,4) che si trova nel malto, nella birra, nei cereali, nella pasta, patate e in diversi prodotti raffinati; il lattosio (un’unità di glucosio e una di galattosio unite da un legame β-1,4) presente in latte vaccino, latte in polvere, latte di pecora, di capra, di bufala, yogurt, panna e burro; il saccarosio (un’unità di glucosio e una di fruttosio unite da un legame α-1,2) si trova nella barbabietola e canna da zucchero. Entrambi i carboni a numerici sono coinvolti nel legame glicosidico. Il saccarosio e quindi uno zucchero non riducente. I numeri sono la posizione del carbonio nella prima e nella seconda unità. La lettera greca indica che il legame può formarsi in un modo (alfa) oppure con un’altra conformazione (β). I legami β non vengono idrolizzati, mentre gli α si. Nei disaccaridi in cui un carbonio anomerico è coinvolto nella formazione del legame glicosidico, solo una delle due possibili configurazioni è tipicamente substrato dell’enzima che ne catalizza la sintesi. Questa configurazione rimane “bloccata” (non va incontro a muto rotazione). È quindi importante specificare la configurazione del carbonio anomerico coinvolto nel legame glicosidico. GLI OLIGOSACCARIDI ( 3 - 9 residui) Un oligosaccaride sono le maltodestrine, che sono delle unità di glucosio ripetute. I POLISACCARIDI (+ di 9 residui) I polisaccaridi sono carboidrati compressi, costituiti da centinaia o migliaia di residui monosaccaridici uniti da legami glicosidici. I polisaccaridi formati da un solo tipo di monosaccaride che si ripete, sono detti omopolisaccaridi; quelli formati da due o più tipi sono detti eteropolisaccaridi. Sia gli omo- che gli eteropolisaccaridi possono essere lineari (un residuo è legato a quello successivo con lo stesso tipo di legame) o ramificati (un residuo può formare più legami glicosidici dando origine ad una nuova catena). I polisaccaridi ramificati si differenziano per la frequenza delle ramificazioni. Le ramificazioni hanno legami α-1,6 che non possono essere spezzati dagli enzimi che non li riconoscono. Ci sono tanti polisaccaridi in natura e il più abbondante nella nostra alimentazione è l’amido. Altri importanti sono il glicogeno, la cellulosa, la chitina, l’agaroso. AMIDO È un polisaccaride del glucosio, si trova nelle patate, nel grano e nei cereali in genere. Le unità monosaccaridiche sono unite attraverso legami 1- 4 - α-glicosidici.

È costituito da 2 polisaccaridi diversi:

• Amilosio: lineare, 300-600 residui di glucosio
• Amilopectina: contiene ramificazioni 1- 6 - α-glicosidiche circa ogni 25 unità di glucosio. Contiene da 2mila a 200mila residui di glucosio per molecola. Ci sono circa 150 molecole di amilosio per ogni molecola di amilopectina. Al microscopio l’amido appare come granuli. L’ambito di ciascuna pianta ha una granulometria propria: quello del riso e circa 2 μm, quello di patata 100 μm. IL GLICOGENO Il glicogeno è il polisaccaride di riserva negli animali. Contiene ramificazioni 1-6 con frequenza maggiore rispetto all’amilopectina. Le catene di glicogeno sono legate ad una proteina detta glicogenina. I FRUTTANI I fruttani sono polimeri del fruttosio sono presenti in diverse piante come carciofo, asparago, orzo, aglio, cipolla e anche nel pane, nella farina e nella pasta. Le inuline sono fruttani presenti in diverse radici. Le piante che accumulano carboidrati come le inuline non producono amido. Le unità di fruttosio sono legate da legami beta 2,6. CELLULOSA La cellulosa consiste in migliaia di unità di D-glucosio unite da legami 1- 4 - beta-glicosidi. È un polisaccaride non ramificato. È il materiale strutturale di base nel mondo vegetale. La configurazione beta consente la formazione di legami idrogeno intra- e inter-catena che stabilizzano la struttura (elevata resistenza alla trazione). AGAROSIO In natura vi sono anche polisaccaridi di zuccheri modificati. Ad esempio, l’agarosio è costituito da unità ripetute di D-galattosio e di 3,6-anidro-L-galattopiranosio. È uno dei componenti dell’agar con l’agaropectina. I FODMAPs (Fermentable Oligo-, Di-, Mono-saccharides And Polyols) Sono carboidrati scarsamente assorbiti dall’intestino tenue e che possono esacerbare condizioni quali la sindrome del colon irritabile. Includono:
• oligosaccaridi del fruttosio (fruttani)
• galattooligosaccaridi (GOS, stachioso, raffinosio)
• disaccaridi (lattosio)
• monosaccaridi (fruttosio)
• polioli (sorbitolo, mannitolo, xilitolo, maltitolo) Essendo scarsamente assorbiti, rimangono disponibili per il metabolismo della flora intestinale. Sono normalmente presenti nella dieta umana, ma peggiorano alcune condizioni patologiche, per cui è consigliata la rimozione degli alimenti che li contengono. DIGESTIONE DEI CARBOIDRATI I carboidrati sono la principale fonte di nutrimento in tutte le diete. Solo per il Sistema Nervoso Centrale occorrono 120 g di glucosio/giorno = 480 calorie. I carboidrati devono essere idrolizzati ai monosaccaridi costituenti per poter essere assorbiti nell’intestino. L’idrolisi dei carboidrati avviene a diversi livelli nel tratto g.i. In sequenza, gli enzimi salivari, pancreatici e intestinali idrolizzano i carboidrati a monosaccaridi.

Anche tra europei vi è una grande variabilità. I lattanti sono sempre tolleranti al lattosio. Sono disponibili diversi prodotti che consentono ad una persona intollerante al lattosio di assumere cibi derivanti dal latte: l’enzima lattasi da assumere prima dei pasti che contengono lattosio, prodotti originati da latte ma pretrattati con lattasi oppure prodotti fermentati in cui il lattosio è portato ad acido lattico per azione dei microrganismi. ASSORBIMENTO DEGLI ZUCCHERI I monosaccaridi sono trasportati dal lume intestinale al circolo sanguigno attraverso le cellule epiteliali intestinali, la cui superficie apicale assorbente è massimizzata dalla presenza di microvilli. Glucosio e fruttosio sono assorbiti attraverso trasportatori diversi. Il passaggio del glucosio dal lume intestinale al citoplasma degli enterociti è mediato dal suo simporto Na+/ glucosio (SGLUT1). Le cellule possono trasportare il glucosio anche contro gradiente, accoppiandolo al trasporto secondo gradiente del sodio (più concentrato all’esterno della cellula). Il gradiente di ioni sodio che alimenta questo e diversi altri co-trasporti è effetto della pompa sodio- potassio, che porta fuori dalle cellule ioni sodio a spese di molecole di ATP. Il passaggio del glucosio dal citosol al sangue è mediato dai recettori GLUT2 (trasporto facilitato). Il fruttosio utilizza trasportatori diversi, i GLUT5 (diffusione facilitata), sia per l’ingresso negli enterociti che per l’uscita. Distribuzione dei monosaccaridi ai tessuti Attraverso la circolazione, i monosaccaridi raggiungono i tessuti periferici. La captazione da parte delle cellule mediante i trasportatori GLUT determina un ritorno della glicemia a valori normali entro poche ore dall’assunzione di carboidrati. I trasportatori GLUT sono una famiglia di trasportatori di esosi (GLUT1,2, 3 ecc). Le diverse isoforme si distinguono per localizzazione tissutale e Km. I trasportatori GLUT hanno tutti un medesimo meccanismo di trasporto, basato su almeno due conformazioni. Una bassa Km di alcune isoforme consente agli organi che richiedono bloccato in continuazione di avere priorità nella sua distribuzione. Il GLUT epatico presenta un’alta Km: la captazione da parte del fegato è significativa solo quando la glicemia è elevata e l’eccesso di glucosio circolante può essere immagazzinato come glicogeno. Destino del glucosio nelle cellule Una volta entrato nella cellula, il glucosio è fosforilato a glucosio- 6 - fosfato dalla esochinasi o dalla sua isoforma epatica, la glucochinasi. Il glucosio- 6 - fosfato non è substrato dei GLUT, per cui è “intrappolato” all’interno della cellula. A questo “intrappolamento irreversibile”, fanno eccezione le cellule epatiche, in cui l’enzima glucosio- 6 - fosfatasi può idrolizzare il gruppo fosfato e consentire quindi l’uscita del glucosio dalle cellule. Assorbimento del fruttosio nelle cellule Il fruttosio è quasi interamente assorbito dalle cellule del fegato, convertito in glucosio e incorporato nel glicogeno. Mentre quindi il glucosio contribuisce ad alimentare le riserve di glicogeno muscolare, il fruttosio contribuisce a quelle epatiche. Tutti i monosaccaridi entrano comunque nella glicolisi. La velocità di assorbimento dipende dalle reazioni di digestione che devono subire per essere trasportati negli enterociti. Si distinguono:

• Carboidrati a rapido assorbimento
• Carboidrati a lento assorbimento indice glicemico L’indice glicemico di un alimento indica la velocità con cui aumenta la glicemia in seguito all’assunzione di un quantitativo dell’alimento contenente 50 g di carboidrati. Questo parametro è espresso in percentuale sulla velocità di aumento della glicemia con la stessa quantità di glucosio (standard di riferimento, valore GI=100)

Si distinguono alimenti contenenti carboidrati ad alto, medio e basso indice glicemico. REGOLAZIONE DELLA GLICEMIA La carenza prolungata di glucosio può comportare danni a carico degli organi che sono “consumatori obbligati di glucosio”. Anche un eccesso plasmatico può causare, a lungo termine, danni tessutali. La concentrazione plasmatica di glucosio (glicemia) deve pertanto essere mantenuta entro limiti ristetti. I tipici valori di riferimento per la glicemia a digiuno sono 0, 5 - 1,10 g/l, pari a 2, 78 - 6 ,11 mM. La glicemia è mantenuta entro questa finestra ad opera di un complesso meccanismo ormonale di omeostasi che coinvolge diversi organi. In questo modo, gli organi e in particolare il SNC, hanno disponibilità adeguate di glucosio per il loro funzionamento. Il meccanismo di omeostasi, riporta la glicemia ai valori ottimali dopo il picco postprandiale, promuovendo la captazione del glucosio e la sua conversione alle forme di deposito. L ontano dai pasti, il meccanismo di omeostasi promuove invece la mobilitazione del glucosio dalle forme di deposito. La regolazione della glicemia avviene essenzialmente modificando la velocità di captazione, immagazzinamento e rilascio del glucosio da parte dei principali organi. Ne sono principalmente responsabili gli ormoni peptidici come insulina (ipoglicemizzante) e glucagone e un ormone catecolaminico, l’adrenalina (iperglicemizzante). Il rilascio di insulina avviene in tempi molto brevi dopo l’assunzione del pasto. I livelli di glucagone diminuiscono. L’insulina e il glucagone sono prodotti e liberati rispettivamente dalle cellule beta e alfa delle isole del Langerhans del pancreas. Ormoni peptidici Gli ormoni peptidici sono l’insulina e il glucagone. L’insulina consiste di due catene unite da due ponti disolfuro. Deriva da un’unica catena polipeptidica con ponti disolfuro intramolecolari. La proinsulina subisce un taglio proteolitico che la attiva a insulina, con l’allontanamento di un peptide, detto peptide C. Il glucagone È un corto peptide di 29 residui con struttura ad alfa elica. L’insulina La secrezione dell’insulina da parte delle cellule b del pancreas è una risposta dell’organismo ad un’alta glicemia: le cellule b sono dei sensori dei livelli di glucosio grazie alla presenza di recettori GLUT2. Avendo una Km molto alta (circa 20 mM), non sono saturati ai valori di glicemia normali (circa 5 mM). L’ingresso di glucosio è quindi proporzionale alla glicemia. Attraverso la glicolisi e il ciclo di Krebs, l’aumentata concentrazione di glucosio si traduce in un’aumentata concentrazione di ATP. L’ATP chiude i canali per il potassio, determinando una leggera depolarizzazione della membrana. La depolarizzazione attiva canali voltaggio-dipendenti per gli ioni calcio, che mediano la fusione delle vescicole secretorie contenenti insulina con la membrana plasmatica. L’insulina viene così rilasciata nel circolo sanguigno, attraverso il quale raggiunge tessuti e organi. Si lega a recettori situati sulla membrana plasmatica di epatociti, adipociti e miociti. Nel fegato viene attivata la sintesi di glicogeno. Negli adipociti e nelle cellule muscolari viene aumentato il numero di trasportatori per il glucosio. Nel complesso, vengono attivati i sistemi per rimuovere dalla circolazione l’eccesso di glucosio e per indirizzarlo alle cellule in cui può venire immagazzinato (glicogeno nel fegato e nelle cellule muscolari e acidi grassi negli adipociti). Negli adipociti, l’aumento della quantità di glucosio introdotta si traduce, attraverso la glicolisi, in un aumento della concentrazione di AcetilCoA, indirizzato prevalentemente verso la sintesi di acidi grassi (da cui i trigliceridi). Il glucagone Il glucagone si lega a specifici recettori GPCRs. I recettori per il glucagone sono presenti solo sugli adipociti (dove accelerano la liberazione di acidi grassi) e negli epatociti (dove promuovono la

cellulare diventa simile a quello in condizioni di prolungato digiuno. I lipidi e i corpi chetonici diventano la maggior sorgente di energia. La valutazione della glicemia, dell’insulinemia e il dosaggio di altri metaboliti od ormoni coinvolti nella regolazione del metabolismo degli zuccheri, è di cruciale importanza. Per quanto riguarda il dosaggio del glucosio, i parametri più frequentemente valutati sono:

• il glucosio basale: è il dosaggio del glucosio ematico a digiuno ( 8 - 12 ore). Tra 1,10 e 1,26 g/l si parla di alterata glicemia a digiuno, mentre per valori superiori si parla di stato diabetico vero e proprio.
• Glucosio postprandiale: si tratta del dosaggio del glucosio nel sangue (glicemia) e nelle urine (glicosuria) in seguito ad un pasto standard (a 2 ore dalla consumazione). I valori di riferimento di questo picco postprandiale sono, negli adulti, maggiore di 1,4 g/l.
• Glicosuria: nell’urina non è normalmente rilevabile il glucosio perché viene riassorbito a livello tubulare. Se però la glicemia è particolarmente alta (maggiore di 1,8 g/l), i sistemi di trasporto vengono saturati e parte del glucosio viene escreto. Una glicosuria alterata potrebbe riflettere anche complicazioni renali.
• Prova da carico orale di glucosio: È previsto per i pazienti a rischio di diabete. Dopo il digiuno notturno, si somministra un carico di glucosio per via orale (75 g per gli adulti, 100 g per le donne gravide).
• Insulinemia: i valori di riferimento dell’insulinemia a digiuno sono 6 - 26 U/l (corrispondenti a 43 - 186 pmol/l). La determinazione di una curva insulinemica è cruciale per distinguere il diabete di tipo I dal diabete di tipo II.
• Peptide C: È il frammento della proinsulina eliminato per proteolisi specifica durante la maturazione della proteina. Il suo dosaggio ha lo stesso valore diagnostico di quello dell’insulina, ma può essere condotto durante una terapia a base di insulina esogena per valutare l’attività secretiva residua pancreatica.
• Anticorpi: il diabete di tipo I è una patologia autoimmune. Né si può identificare il sottotipo ricorrendo agli anticorpi circolanti, che sono responsabili del danno pancreatico. Quelli più comuni sono anticorpi antinsula (ICA), anticorpi antinsulina (IAA) e anticorpi anti glutammato decarbossilasi (anti GAD). Una loro presenza nel plasma, rilevata insieme ad iperglicemia, e quindi indice di diabete di tipo I.
• Proteine glicosilate: tra cui l’emoglobina glicosilata (HbA1c); una glicemia elevata porta ad una glicosilazione irreversibile non enzimatica delle proteine plasmatiche. La glicosilazione è proporzionale alla concentrazione media di glucosio a cui è esposta la proteina durante la propria vita plasmatica (3 mesi nel caso dell’emoglobina).
• Fruttosammina glicosilata: È una proteina glicosilata con una vita media breve, circa 3 settimane, che consente quindi di valutare una finestra temporale più breve rispetto all’emoglobina glicosilata.
• Chetoacidosi: nel diabete, l’organismo si comporta come durante un digiuno prolungato. Viene quindi aumentata, tra le altre cose, la produzione di corpi chetonici, che causa una diminuzione del pH plasmatico (valore diagnostico: minore di 7,3). Un basso pH plasmatico può causare a sua volta coma e morte. I corpi chetonici si possono rilevare nel plasma (chetonemia) o nelle urine (chetonuria). La chetoacidosi è tipica del diabete di tipo I.
• Biologia molecolare del diabete: il diabete di tipo I in età giovanile (MODY) può essere causato da una o più mutazioni di proteine delle cellule pancreatiche. Fino ad ora, sono stati individuati 6 geni.

DIGESTIONE ED ASSORBIMENTO DEI LIPIDI

I lipidi di origine alimentare svolgono maggiormente un ruolo energetico, ma una piccola parte ha un ruolo strutturale (delle membrane) e funzionale (proteine coniugate a lipidi, ormoni lipidici). I triacilgliceroli costituiscono la maggior parte dei lipidi della dieta (90-95%). I grassi della dieta comprendono però anche fosfolipidi e steroli. Lipidi basati sugli acidi grassi Gli acidi grassi possono essere completamente saturi o presentare insaturazioni. I doppi legami possono essere in configurazione trans o cis. In natura normalmente si trovano insaturazioni in configurazione cis. Possono essere presenti più insaturazioni (acidi grassi poliinsaturi). La posizione dei doppi legami può essere indicata a partire dall’ultimo atomo di carbonio della catena carboniosa (il carbonio omega). Questa nomenclatura si riflette nelle diverse vie biosintetiche che portano alla sintesi dei tre gruppi di acidi grassi insaturi. ACIDI GRASSI ESSENZIALI (EFA) Il nostro organismo non può introdurre doppi legami in omega-3 o omega-6. Questi acidi grassi devono essere introdotti con la dieta. In particolare, devono essere introdotti da alimenti che li contengono, o perché l’organismo di origine li produce o perché vi si accumulano attraverso la catena alimentare. La sintesi di acidi omega-3 e omega-6 avviene essenzialmente nei vegetali. Fonti di acidi grassi polinsaturi omega-3 sono: semi, olio di soia e pesce; fonti di acidi grassi polinsaturi omega-6 sono: semi, noci, oli vegetali (acido linoleico) e carne (acido arachidonico). Gli acidi grassi essenziali sono importanti per la costituzione delle membrane biologiche ma anche perché sono precursori di importanti metaboliti. L’acido arachidonico è convertito a prostaglandina H2 dall’enzima cicloossigenasi, in due passaggi. La cicloossigenasi è il bersaglio dei farmaci antinfiammatori non steroidei. L’acido arachidonico in sé non è strettamente essenziale per l’uomo perché può essere ottenuto dall’acido linoleico. Alcuni mammiferi hanno però una ridotta capacità di convertire l’acido linoleico in acido arachidonico, che è quindi da considerarsi essenziale. Questi mammiferi sono carnivori obbligati, dato che le piante comuni ne contengono quantità insufficienti. TRIGLICERIDI I trigliceridi costituiscono la maggiore riserva di lipidi nel corpo e nella dieta. Costituiscono più del 60% delle riserve di energia del corpo e ne contribuiscono all’isolamento termico. Lipidi di diversa origine sono costituiti da proporzioni diverse di acidi grassi saturi, monoinsaturi e polinsaturi. LIPIDI DI MEMBRANA E FOSFOLIPIDI Una dieta tipica ne contiene circa 2 g/die. Il principale fosfolipide di membrana assunto con la dieta è la fosfatidilcolina (lecitina). È presente nell’uovo, nella soia, nel fegato, nel le noccioline, nei legumi, negli spinaci, nei germi di grano. Per la maggior parte si perde durante il processamento degli alimenti. Lipidi basati sugli steroli Il colesterolo è un costituente fondamentale delle membrane biologiche degli animali ed è il precursore di ormoni steroidei. Con gli alimenti, oltre al colesterolo, sono introdotti altri steroli. Il b- sitosterolo (il principale sterolo vegetale) costituisce il 25% degli steroli della dieta, ma non è assorbito in condizioni fisiologiche.

Una piccola parte di acidi grassi liberi e il glicerolo derivante dai trigliceridi sono liberati direttamente nel plasma. Gli acidi grassi si legano alla proteina albumina. Le lipoproteine sono particelle costituite da un interno lipofilo (trigliceridi e colesterolo) ricoperto da uno strato di proteine (le apolipoproteine) e da lipidi anfipatici. La componente proteica alla duplice funzione di stabilizzare la particella e di interagire con i recettori e i trasportatori tessuto-specifici, mediando l’azione di enzimi o l’endocitosi. I chilomicroni sono costituiti per il 99% da trigliceridi. La proteina che organizza è detta apolipoproteina B-48. Durante la permanenza in circolo, vi si associano altre proteine apo E, apo C-II. I chilomicroni sono immessi nel sistema linfatico e, da questo, nel sistema circolatorio. Dai chilomicroni vengono progressivamente sottratti i trigliceridi per idrolisi ad acidi grassi liberi da parte delle lipoproteine lipasi, enzimi localizzati in corrispondenza dei capillari dei tessuti e utilizzano i trigliceridi come fonte di energia. Segue l’assorbimento da parte delle cellule. Le cellule in cui avviene il trasferimento di lipidi attraverso questo meccanismo, sono le cellule adipose e le cellule muscolari. Gli acidi grassi entrano in parte per diffusione, in parte per trasporto mediato da trasportatori specifici di acidi grassi a lunga catena, proteine integrali di membrana dette fatte FATPs (6 isoforme notte nell’uomo). La loro quantità esposta sulla superficie della cellula è regolata, come per i GLUT4, da fattori ormonali, mediante un meccanismo di mobilitazione di depositi localizzati in membrane interne (translocazione). Tra gli ormoni che aumentano la disponibilità di trasportatori FATPs, vi è l’insulina, soprattutto nel tessuto adiposo. In seguito alla deplezione progressiva dei trigliceridi, rimangono lipoproteine ricche in colesterolo (remnants dei chilomicroni), che vengono captate dal fegato per endocitosi mediata da recettori. La via endogena Una volta che lipidi di origine esogena sono in circolo, il fegato ne diventa il principale sistema di processamento. Il fegato esporta l’eccesso di lipidi come VLDL, lipoproteine caratterizzate dalla apolipoproteina B-

100. In circolazione, come i chilomicroni, si associano apoE e apoC-II. Come i chilomicroni, le VLDL possono essere parzialmente idrolizzate dalle lipasi nei capillari. I corrispondenti remnants prendono il nome di IDL. Le IDL possono essere ricaptate dal fegato ma possono essere ulteriormente impoverite di trigliceridi, sempre per azione delle lipasi nei capillari, a dare le LDL. Le LDL sono prevalentemente costituite di colesterolo (circa 1500 molecole esterificate ad acidi grassi, prevalentemente linoleato) e possono essere captate dal fegato o da altri tessuti periferici, nei quali il colesterolo entra nella composizione delle membrane o viene convertito in derivati (ormoni, sali biliari ecc). Circa un terzo delle LDL viene captata dai macrofagi del sistema reticolo-endoteliale. LE HDL Sono lipoproteine scavenger di lipidi provenienti da cellule morenti ed altre lipoproteine. Si originano dal fegato e dall’intestino tenue. Contengono l’enzima lectina-colesterolo aciltransferasi (LCAT) che catalizza la formazione di esteri del colesterolo (più idrofobici del colesterolo).

Una volta in circolo, le HDL capitano lipidi di membrana (fosfatidilcolina) e colesterolo dai chilomicroni, dai remnants del VLDL e da eventuali molecole libere. La HDL matura torna al fegato o a ghiandole endocrine. Le HDL costituiscono quindi un sistema di ritorno del colesterolo al fegato. I recettori che mediano il trasferimento di colesterolo al fegato sono detti SR-B1 (situati sulla superficie esterna degli epatociti) e interagiscono con la proteina ApoA delle HDL. Ruolo degli adipociti Gli adipociti captano acidi grassi dai chilomicroni e dalle VLDL grazie alle lipasi presenti sulla loro superficie esterna. Il tessuto adiposo è l’unico tessuto in grado di esterificare e gli acidi grassi a glicerolo, formando depositi di trigliceridi. La lipolisi dei trigliceridi depositati e sotto controllo ormonale: la triacil glicerol lipasi è attivabile per fosforilazione reversibile attraverso una via di trasduzione che fa capo a glucagone ed adrenalina. Gli acidi grassi liberati dagli adipociti sono trasportati nel sangue in complesso con l’albumina, una proteina plasmatica dotata di 7 “tasche” idrofobiche a cui si legano gli acidi grassi (FA 1-7). Ricapitolando: gli acidi grassi vengono progressivamente ceduti nel microcircolo ai tessuti per azione della lipoproteina lipasi, mentre il colesterolo arriva ai tessuti per endocitosi delle LDL. Attraverso le lipoproteine e come acidi grassi liberi, i lipidi giungono agli organi di destinazione, dove vengono utilizzati per il metabolismo. Le reazioni metaboliche a carico degli acidi grassi avvengono sia nel citosol che nel mitocondrio. I passaggi ossidativi avvengono nel mitocondrio. Diversi organi utilizzano in modo diverso i lipidi come fonte di energia. Il metabolismo dei lipidi diventa preponderante, per la maggior parte dei tessuti (fegato e muscolo striato), quando vi sono basse concentrazioni plasmatiche di glucosio. Il muscolo cardiaco deriva la sua energia prevalentemente dall’ossidazione dei lipidi anche in presenza di glucosio. Il SNC non può invece metabolizzare i lipidi attraverso la b-ossidazione, per cui necessita di glucosio (o di corpi chetonici in caso di digiuno prolungato). DISFUNZIONI ASSOCIATE AL TRASPORTO DEI LIPIDI Iperlipidemie Una delle classificazioni fenotipiche delle iperlipoproteinemie più utilizzate è quella di Frederikson. La classificazione fenotipica non tiene conto delle cause dello squilibrio metabolico osservato. Si è pertanto affermata una classificazione genotipica, basata sulle cause genetiche della patologia. La definizione diagnostica di queste forme avviene comunque in base al dosaggio dei livelli plasmatici del colesterolo e dei trigliceridi, del loro rapporto e dell’identificazione delle lipoproteine presenti in eccesso. Le chilomicronemie Le chilomicronemie sono dovute ad una ridotta rimozione dei chilomicroni, i quali continuano a trovarsi in circolo anche per 24-48 ore dopo il pasto. Può essere provocata da un deficit di lipasi lipoproteica extra epatica o da un deficit di ApoC-II, il cofattore obbligatorio di questa lipasi. Entrambi i difetti sono ereditari e vengono trasmessi in modo autosomico recessivo. Le ipercolesterolemie Sono dovute ad un aumento delle LDL, con un incremento della colesterolemia totale (perché le LDL contengono colesterolo in alta percentuale). Le forme primarie principali sono l’ipercolesterolemia familiare e la ipercolesterolemia poligenica. L’ipercolesterolemia familiare è una malattia genetica nella quale l’organismo non processa le LDL, che rimangono in circolazione. Si ritiene che oggi l’ipercolesterolemia poligenica sia provocata da una dieta ricca di colesterolo e acidi grassi saturi. Questo tipo di dieta fa sì che si verifichi una riduzione del catabolismo delle LDL ed un aumento della loro concentrazione nel plasma. Alte concentrazioni di colesterolo nel sangue sono state associate a patologie cardiovascolari. In generale, le iperlipidemie comportano accumulo di lipidi in sedi nelle quali possono causare danni di vario genere.

DIGESTIONE ED ASSORBIMENTO DI PROTEINE ED AMMINOACIDI

PROTEINE ED AMMINOACIDI

Gli amminoacidi introdotti con la dieta hanno sia funzione strutturale, entrando nella composizione delle proteine dell’organismo, sia energetico, potendo essere convertiti ad intermedi della glicolisi e del ciclo di Krebs. Il ruolo prevalente dipende dal tipo di dieta. VALORE NUTRIZIONALE DEGLI AMMINOACIDI Il corpo di un uomo adulto di 70 kg contiene circa 12 kg di proteine. Actina, miosina, collagene ed emoglobina costituiscono circa la metà del contenuto totale di proteine del corpo. Occorre un apporto quotidiano di aminoacidi per il mantenimento delle proteine corporee. La RDA è circa 50 g al giorno per un adulto. Gli aminoacidi di origine alimentare possono essere anche convertiti al glucosio, acidi grassi e diversi altri metaboliti. In condizioni di digiuno, gli aminoacidi sono sottratti alla rigenerazione delle proteine per produrre energia:

• 40% nel muscolo: possono diventare fonte di aminoacidi in condizioni di stress, si perdono però proteine funzionali
• 10% nei tessuti viscerali (fegato, intestino): scarsamente mobilizzate in condizioni di stress
• 30% nella pelle e nel sangue: diventano fonte di aminoacidi in deficit di proteine alimentari A seconda dell’intermedio metabolico in cui possono essere convertiti, gli aminoacidi, dal punto di vista nutrizionale, si dividono in glucogenici e chetogenici. Gli aminoacidi sono anche precursori di ormoni e neurotrasmettitori. 9 amminoacidi sono essenziali: non possono essere prodotti in quantità sufficiente dal metabolismo e quindi devono essere introdotti attraverso la dieta. Le carni contengono amminoacidi essenziali nelle stesse proporzioni richieste dall’organismo umano. I vegetali li contengono in proporzioni diverse. Nelle diete vegetariane, una combinazione di legumi consente un apporto complessivamente equilibrato di amminoacidi essenziali. DIGESTIONE DELLE PROTEINE Come i glucidi e i lipidi, anche le proteine devono essere idrolizzate per dare i loro costituenti (gli amminoacidi o oligopeptidi) per poter essere assorbite. Fanno parziale eccezione gli anticorpi materni nel neonato, che possono essere assorbiti come tali (trasferimento delle difese anticorpi). In diversi mammiferi, le cellule dell’intestino esprimono recettori che ne facilitano l’assorbimento. Gli enzimi che catalizzano la rottura dei legami peptidici, sono detti proteasi o peptidasi. Si distinguano in endopeptidasi (possono rompere un legame interno) ed esopeptidasi (carbossipeptidasi e aminopeptidasi). Il meccanismo catalitico può essere diverso:
• serina proteasi, che rilascia un residuo di serina
• Cisteina proteasi, con un residuo di cisteina
• Aspartato proteasi, con 2 residui di aspartato
• Metallo proteasi La digestione delle proteine inizia nello stomaco. Nello stomaco l’ambiente acido favorisce la denaturazione. Il pH (2-3) non è sufficiente per idrolizzare le proteine, ma la denaturazione espone legami peptidici all’azione di proteasi. La pepsina è la proteasi gastrica: è poco specifica, ma ha preferenza per gli amminoacidi neutri o con catene laterali alifatiche o aromatiche. È attiva a pH 2. È secreta nello stomaco come zimogeno e si attiva per autocatalisi a pH 2 (protezione dall’autodigestione). Le cellule principali (zimogeniche) gastriche sono un gruppo di cellule che rilasciano pepsinogeno e lipasi gastrica. Le cellule parietali rilasciano invece acido cloridrico.

Siccome i siti di taglio per cui la pepsina ha preferenza sono relativamente infrequenti, il prodotto della pepsina è una miscela di grossi polipeptidi e di amminoacidi liberi (peptone) che passano al duodeno. Gli amminoacidi che libera stimolano il rilascio di colecistochinine nel duodeno. La pepsina è un’aspartato-proteasi. La digestione dei polipeptidi continua nel duodeno. Il duodeno, agiscono le proteasi secrete dal pancreas. Anch’esse come la pepsina sono liberate come zimogeni e quindi convertite nella forma attiva mediante un taglio proteolitico. Gli zimogeni sono attivati dalla proteasi tripsina, che a sua volta è attivata dalla proteasi enterochinasi (o enteropeptidasi), un enzima ancorato alla membrana delle cellule intestinali. La rimozione di un esapeptide del tripsinogeno lo converte a tripsina. L’enterochinasi attiva quindi una cascata di attivazione per proteolisi (come la cascata di attivazione della coagulazione); questa è una strategia per tenere attivi gli enzimi anche quando non servono ma consente anche di attivare velocemente grandi quantità di proteine. Le proteasi pancreatiche hanno una diversa selettività e complessivamente degradano le proteine ad amminoacidi, dipeptidi e tripeptidi. Le esopeptidasi pancreatiche (carbossipeptidasi A e B), selettive per amminoacidi neutri e bsici, rispettivamente, liberano gli amminoacidi. Peptidi che terminano con amminoacidi acidi sono resistenti alle carbossipeptidasi e rimangono quindi come dipeptidi o tripeptidi. Le carbossipeptidasi pancreatiche (A1, A2 e B) sono zinco-proteasi. L’azione combinata di proteasi ed esopeptidasi pancreatiche porta quindi alla produzione di amminoacidi liberi e corti oligopeptidi. Gestione delle proteine si completa a livello delle cellule dell’epitelio intestinale. Le endopeptidasi, dipeptidasi e aminopeptidasi, che sono localizzate sulla membrana degli enterociti, completano la digestione delle proteine, producendo amminoacidi liberi, dipeptidi e tripeptidi. Le proteasi pancreatiche e le proteasi degli enterociti sono serina-proteasi. ASSORBIMENTO DEGLI AMMINOACIDI LIBERI L’assorbimento degli amminoacidi avviene a livello delle stesse cellule responsabili dell’assorbimento di lipidi e monosaccaridi, gli enterociti. Gli amminoacidi liberi sono assorbiti attraverso trasportatori transmembrana, alcuni dei quali lavorano per simporto con ioni sodio. I trasportatori per gli amminoacidi sono spesso poco selettivi e ne esistono di diversi tipi:

1. Simporto per amminoacidi neutri con catena laterale piccola e polare (Ser, Ther, Ala)
2. Simporto per aminoacidi neutri con catene aromatiche o idrofobiche (Phe. Tyr, Tryp, Met, Val, Leu, Ileu)
3. Simporto per iminoacidi (Pro, OH-Pro)
4. Simporto per amminoacidi basici (Lys, Arg, Cys)
5. Simporto per amminoacidi acidi (Asp, Glu)
6. Simporto per b-amminoacidi (b-Ala, Tau) Ci sono anche trasportatori transmembrana per dipeptidi e tripeptidi. PepT1 (peptide transporter 1) funziona per simporto con protoni. È sfruttato anche da diversi farmaci peptidomimetici. Nel citosol delle cellule, l’idrolisi di dipeptidi, tripeptidi ed amminoacidi liberi è completata da peptidasi citosoliche. Gli amminoacidi liberi così prodotti sono immessi nel circolo sanguigno attraverso un trasportatore che ne media la diffusione facilitata. Le peptidasi citoplasmatiche sono diverse e catalizzano reazioni specifiche. Negli enterociti, una grossa parte degli amminoacidi è transaminata ad alanina, che è quindi il principale amminoacido che arriva ai tessuti.