METABOLISMI TESSUTO-SPECIFICI

Ogni tessuto ha una sua funzione specifica che riflette la sua funzionespecifica che si riflette nella sua anatomia e nella sua attività metabolica.

mantenimento potenziale di membrana, invio segnali ad altri organi

ruolo centrale nel metabolismo

T. AdiposoT. Adiposo

sintesi, raccolta e molbilizzazione dei trigliceridi

lavoro meccanico mediante utilizzazione di ATP

Intestino tenue: assorbimento dei nutrientiSistema linfatico: trasporto dei lipidi dall’intestino al fegato

Riepilogo delle principali vie metaboliche

FEGATO

1. Metabolismo dei carboidrati

2. Metabolismo dei lipidi

3. Metabolismo delle proteine

4. Metabolismo eme

5. Deposito Fe

6. Fattori coagulazione

7. Detossificazione

8. Deposito vitamina

Funzioni metaboliche del fegato

Fegato• Organo altruista

• Centralità funzionale

• Grande flessibilità metabolica

• Modulazione dell’espressione degli enzimi avviene a una velocità 5-10 superiore a quella degli altri tessuti

• La vena porta è la via di trasporto che collega gli organi della digestione con il fegato

Vie metaboliche che utilizzano glucosio nel fegato

Il fegato tampona i livelli di glucosio nel sangue

• Assume e rilascia glucosio in risposta agli ormoni e alla concentrazione di glucosio

• Glucosio è intrappolato nel fegato come G-6-P dalla glucochinasi – Glucochinasi ha un’alta Km ( 5 mM: bassa affinità) per

il glucosio e non è inibita da G6P.Attività aumenta con la concentrazione del glucosio.

– Esochinasi in molte cellule hanno un’alta affinità per il glucosio (Km ~ 0.1 mM:alta affinità) e sono inibite da G6P

• Ad alta [glucosio], il fegato assume glucosio a una velocità più o meno proporzionale alla sua concentrazione

Metabolismo degli amino acidi nel fegato

Metabolismo dei lipidi nel fegato

Catabolismo dell’eme

• L’eme viene trasformato in bilirubina.

• Il 75% della bilirubina deriva dall’emoglobina degli eritrociti vecchi che vengono fagocitati dai macrofagi della milza, del fegato e del midollo osseo.

• 1.2 108 eritrociti /ora distrutti (6g di emoglobina /die)

• Concentrazione plasmatica di bilirubina: 1 mg/dl

• Se la concentrazione di bilirubina supera 3 mg/dl si ha l’ittero (riconoscibile dalla colorazione gialla della pelle)

La bilirubina è il prodotto del metabolismo dell’eme, il gruppo prostetico dell’emoglobina.

È un pigmento giallo-verde che dà il colore alla bile stessa.

Prende origine dalla distruzione dei globuli rossi ad opera dei macrofagi: il gruppo dell’eme viene aperto:

• Il ferro viene catturato dalla transferrina

• La catena lineare di 4 anelli pirrolici viene metabolizzata a

1. Biliverdina

2. Bilirubina

La bilirubina, nel giro di poche ore, viene quindi catturata dal fegato dove viene coniugata, essenzialmente con acido glucuronico: la bilirubina glucuronide viene escreta nella bile

Eme

emoglobina

Bilirubina/albumina

Bilirubina/ac. glucuronico

bilirubina

Canalicolo biliare

stercobilinogeno

stercobilina(colorato)

(incolore)

Fecisanguerene

urine

Fe (pool)

(insol)

fegato intestino

biliverdina

Catabolismo dell’eme

Ittero

• L’ittero è inequivocabilmente evidente su base clinica quando la concentrazione plasmatica di bilirubina è supera la soglia di 3 mg/dl

• Classificazione:

• Pre-epatico: eccessiva produzione di bilirubina conseguente a episodi emolitici

• Intra-epatico: riflette una disfunzione epatica generalizzata

• Post-epatico: provocata dalla ostruzione delle vie biliari

Pre-epaticocause: emolisi

Intra-epaticocause: infezione epatiti (molto comune)

sostanze chimiche alcol comune)difetti genetici

metabolismo bilirubinasindrome di Gilbert (1/20)sindrone di Grigler (raro)sindrome di Dubin-J (raro)sindrome di Rotor (raro)

proteine specifichemorbo di Wilson (1/200.000)

neonatale fisiologico (molto comune)autoimmune epatite cronica

Post-epaticocause: dotti biliari intraepatici farmaci (molto comune) cirrosi

dotti biliari extraepatci calcolosi cistifellea (comune)

• I difetti genetici sono associati ad anomalie nella coniugazione o nella secrezione delle bilirubina.

• Sindrome di Gilbert (5% delle popolazione) consiste in un modesto aumento della bilirubina non coniugata a causa di una diminuita attività della UDP-glucuronil trasferasi

• Sindrome di Crigler-Najjar è causata dall’assenza completa o dalla marcata diminuzione delle capacità di coniugazione delle bilirubina (può essere fatale)

• Ittero neonatale (comune nei neonati) dovuto alla immaturità del sistema enzimatico responsabile della coniugazione della bilirubina. La bilirubina non coniugata è tossica per il cervello e provoca uno stato patologico (kernittero). Fototerapia con UV per ossidare la bilirubina

Azione detossificante del fegato: metabolismo dell’Etanolo

• E’ un alcol a elevato contenuto energetico (7kcal/g), intermedio fra quello dei glucidi e dei lipidi,

• Non viene accumulato, viene subito eliminato attraverso le urine, l’aria e metabolizzato

• 80% del metabolismo avviene nel fegato (2 mmoli di alcol/g di tessuto/ min) e in minor misura nella mucosa gastrica, polmoni e rene

• Viene assorbito dal cavo orale, stomaco e intestino tenue per semplice diffusione

• La velocità di assorbimento è proporzionale alla quantità ingerita

• Alcol deidrogenasi: dimero di 4 distinte catene polipeptidiche, ognua delle quali ha 4 atomi di Zn :2 per legare etanolo e NAD e 2 per stabilizzare la struttura terziaria)

– Alcol + NAD+ NADH + H+ + acetaldeide

Concentrazione elevata di etanolo

Diverse forme di acetaldeide deidrogenasi. matrice mitocondri (Km<1mM) membrana mitocndri (Km 2mM) citoplasma Km elevata

Nel fegato sono presenti altri due enzimi in grado di trasformare l’etanolo in acetaldeide che sono attivi solo ad elevata concentrazione di alcool: -catalasi, che utilizzando H2O2 ha anche un ruolo detossificante

alcool idrossilasi a funzione mista (MEOS:sistema microsomiale ossidante etanolo), che utilizza O2 e NADPH e costituisce il sistema microsomiale ossidante dell’etanolo:

etanolo + NADPH + H+ + O2 acetaldeide + NADP+ + H2O

Etanolo + H2O2 acetaldeide + 2acqua

Meos è un sistema specifico che catalizza anche la detossificazione di molti farmaci e composti tossici ed inducibile dell’etanolo stesso

1-Aumento del rapporto NADH/NAD+ (spostamento del potenziale redox verso uno stato più ridotto, condizione che determina variazioni nel rapporto di substrati NAD dipendenti)                                                                                                                           

Cambiamenti metabolici durante l’ossidazione dell’etanolo

2-Aumento della sintesi di acidi grassi e trigliceridi3-blocco della gluconeogenesi4-inattivazione della glutammico deidrogenasi

5- formazione di radicali liberi dell’ossigeno e il radicale idrossietilico, responsabili entrambi dell’aumento dei processi di perossidazione lipidica  e di una riduzione delle difese antiossidanti del fegato

Riduzione difese antiossidanti del fegato

• Il fegato presiede alla rimozione di svariate sostanze "non nutritive" presenti nell’organismo riducendone o annullandone l’eventuale tossicità.

• Le reazioni di biotrasformazione di farmaci, ormoni steroidei, steroidi endogeni e sostanze tossiche, comprendono processi – di detossicazione esplicati mediante idrossilazioni,

ossidazioni, riduzioni – coniugazioni che avvengono principalmente nei

microsomi del fegato.

Azione Detossificante del fegato: Metabolismo degli xenobiotici

Reazione della fase I: IDROSSILAZIONE

NADPH+H+

NADP+

Flavoproteinaossidata

Flavoproteinaridotta

NHP-Fe2+

NHP-Fe3+

P450-Fe3+

P450-Fe2+

SH

SOH

O2

H2O

Il 50% dei farmaci viene metabolizzato con il sistema P450

SH + O2 + NADPH + H+ S-OH + H2O NADP+

Serie successiva di reazioni red-ox:

Protezione da danno ossidativo

• Nella cellula si formano radicali liberi provenienti da parziale riduzione dell’O2 molto reattivi e tossici per lipidi, acidi nucleici, proteine

• Mitocondri sono molto esposti a questo danno• In condizioni normali se ne formano pochi e sono

rapidamente rimossi• In particolari condizioni si formano molti radicali liberi con

uno o più elettroni spaiati e molto reattivi – radicale superossido molto reattivo e non tossico poiché

rimosso dalla SOD (superossido dismutasi)– da questo radicale si formano altri specie reattivi e tossici, come

l’ossigeno singoletto, molto reattivo e tossico

Rimozione di acqua ossigenata

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CYP450 NOMENCLATURECYP450 NOMENCLATUREBased upon Nelson et al. DNA & Cell Biology 12:1-51, 1993.

CYP3A4CYP3A4CYP – abbreviation for cytochrome P450

3 – designates family (> 40% sequence identity)A – designates sub-family (> 55% sequence identity)4 – designates specific gene/enzyme

CYP – designates mRNA or proteinCYP – designates gene

CYP1A1 – gene that codes for cytochrome P450 1A1CYP1A1 – mRNA or protein product of CYP1A1 gene

Nell’uomo, esistono 15 o più isoenzimi CYP450, che differiscono, parzialmente, per specificità,

induttori, inibitori.

• Ciascun isoenzima è caratterizzato dai substrati metabolizzati, dagli induttori ed inibitori.

• Tuttavia, data la scarsa specificità delle varie isoforme, spesso 2 o più isoforme partecipino al metabolismo di un singolo xenobiotico.

• Le varie isoforme possono catalizzare reazioni diverse sullo stesso substrato.

• In molti casi predomina il metabolismo operato da un’isoforma. Il contributo delle varie isoforme dipende dai valori di Km e Vmax.

Variabilità del CYP450

• Fattori genetici (variabilità interindividuale)• Se il metabolismo di un farmaco è regolato

principalmente da un solo gene (un solo enzima o isoenzima), si possono avere tre casi generali:

• 1. Il gene è presente in una sola forma, espressa in modo simile in tutti gli individui;

• 2. Il gene è presente, nella popolazione, in due o più forme (alleli), i cui prodotti hanno attività enzimatica nettamente diversa;

• 3.  Il gene è presente in una sola forma ma mutazioni dei geni regolatori causano una marcata riduzione dell’espressione genica.

• Nel caso 1), la variabilità è determinata da fattori non genetici e la distribuzione della capacità metabolizzante nella popolazione sarà normale (gaussiana).

• Nei casi 2) e 3) si osserva una distribuzione non normale; sono presenti due (o più) popolazioni .

• Sono quindi presenti almeno due fenotipi. In questo caso si ha polimorfismo genetico

• Reazioni di coniugazione (fase II):

• glucuronidazione

• solfatazione

• acetilazione

• metilazione

• coniugazione con glutatione (formazione di acidi mercapturici)

• coniugazione con aminoacidi (glicina, taurina, acido glutammico)

Le reazioni di coniugazione consistono nella combinazione di sostanze non fisiologiche o xenobiotiche con gruppi polari per formare un coniugato inattivo più facilmente eliminabile dal rene.

Le principali reazioni di questo tipo sono: 1-fenoli, alcooli, acidi carbossilici, amine e tioli con acido glucuronico con formazione di glucuronidi 

2-la coniugazione di fenoli, alcooli, amine con  solfati per dare origine a formazione di solfati assai solubili in acqua

PAPS: fosfoadenosina-5’-fosfosolfatoPAP: fosfoadenosina-5’-fosfatoAPS:adenosina-5’-fosfosolfato

3) l’acetilazione di amino composti catalizzata dall’acetiltransferasi; 4) la metilazione di alcuni fenoli, catecolamine e di acido nicotinico a spese della metionina; 5) l’attacco di glicina ad acidi aromatici quali l'acido benzoico o l'acido salicilico con formazione di un’amide sostituita

6) l’attacco di glutatione a composti alogenati e a nitrocomposti come il 2-4 dinitro-1-clorobenzene per formare un coniugato attraverso il legame con l’atomo di zolfo del residuo di cisteina

Glutathione è un tripeptide formato da

glutamateo, cisteina, e glicina

Reazione del glutatione con un elettrofilo

AST ( o GOT): aspartico amino trasnferasiALT (o GPT): alanina amino transferasi:

AST è libero nella frazione mitocondriale; ALT è libero nel citosol degli epatociti.Solo AST si trova anche nel cuore, Muscolo scheletrico, rene…ALT è abbondante nel fegato

(specifico:utile nelle apatopatie)ALP:fosfatasi alcalina

Presente in molti organi. I levelli aumentano nelle epatopatie

PT: tempo di protrombinaImportante per valutare il la funzionalità epatica (produzione

Dei fattori II, VII, IX, X da parte del fegato)

GGT: gamma-glutamil-transferasiGlicoproteina legata alla mebrana plasmatica. Il suo livello

Aumenta negli alcolisti per elevata produzione da partedelfegato

Alcuni parametri utili per testare la funzionalità epatica

ACUTO CRONICO COLESTASIAlbumina normale o diminuita normale o fortemente diminuita normaleBilirubina normale o fortemente aumentata normale o aumentata aumentataTransaminasi fortemente aumentata aumentata leggermente aumentataALP normale normale fortemente aumentataGGT leggermente aumentata leggermente aumentata fortemente aumentataIg leggermente aumentata normale normalePT normale leggermente aumentata leggermente aumentata

DANNO EPATO CELLULARE

Tessuto adiposo

Il tessuto adiposo: un deposito di materiale energetico

Distinguiamo:tessuto adiposo biancotessuto adiposo bruno

Differenze T.A. bianco T.A. bruno

Funzione riserve energetiche termogenesiRisp. Freddo lieve intensaDistribuzione estesa limitataVascolarizzazione scarsa estesaGocce lipidiche uniloculari multiloculariMitocondri scarsi numerosiMeta. Ac. Grassi rilasci acidi grassi oss. in situUCP assente presente

In un individuo di 70 kg la quantità di grasso accumulata è di circa 15kg (21% del peso), in gran parte sotto forma di Trigliceridi

Adipociti umani

Composizione biochimica dell’adipocitaComposizione biochimica dell’adipocita

Oltre ai lipidi, il t.a. contiene 10% di acqua, 2% collagene, o.1% di glicogeno

Gli acidi grassi utilizzati per la sintesi dei Trigliceridi provengono dai chilomicroni (intestino) e dalle VLDL (fegato)

L’idrolisi dei Tg avviene ad opera di una Lipoproteina Lipasi (fatt. chiarificante)

L’attività della lipoproteina lipasi dipende dallo stato nutrizionale e metabolico dell’organismo e, in particolare, dall’azione ormonale di glucagone e insulina

Condizioni post-prandiali: attività LPL aumenta (azione dell’insulina)Condizioni di digiuno: attività LPL diminuisce (azione glucagone)

Km LPL del tessuto adiposo è 10 volte> Km tessuto cardiaco

Punti chiave:La produzione di gliceloro 3-fosfato controlla l’esterificazioneLa lipolisi è controllata dalla lipasi ormono-sensibileL’aumento del metabolismo del glucosio diminuisce il rilascio di acidi grassi liberi

Metabolismo del tessuto adiposoMetabolismo del tessuto adiposo

Chilomicroni, VLDL

LPLgliceroloFFA

FFA FFA glicerolo

TG

Glicerolo-3-PAcil.CoA

Acetil-CoA

-ox

lipogenesi

Glucosio-6-P

Ciclo pentosi

glucosio

insulina

Tessuto adiposo (non ha la glicerolo chinasi)

Lipasi ormono-sensibile

+

+ plasmaTG

(Pool1)(Pool2)

esterificazione

Fegato, reni

Ciclo continuo Idrolisi-esterificazione

esterificazione<lipolisi

Regolazione della lipolisiRegolazione della lipolisi

Lipasiormono-sensibile (inattiva)

Lipasiormono-sensibile (attiva)

fosfatasiProteinaChinasicAMP-dip

cAMP

Adenilato ciclasi

ATP

5’AMP

fosfodiesterasi

GlucagoneAdrenalina, ACTH,TSH

+

insulina

-

P

insulina

Caffeinateofillina

+-

TG DG + FFA

MG + FFA

FFA + glicerolo

DG lipasi

MG lipasi

insulina

+

-

• Il tessuto adiposo bruno promuove la termogenesi, quando è richiesta pa produzione di calore

• Molto attivo in alcune specie durante il risveglio dal letargo, animali esposti al freddo, nei neonati

• Molto probabilmente reposnabile della termogenesi indotta dalla dieta

• Ridotta negli obesi• Disaccoppiamento dell’ossidazione e della

fosforilazione ossidativa• Importante la proteina UCP (uncoupling protein;

termogenina)• L’ossidazione produce essenzialmente calore

Cervello

• I neuroni utilizzano solo glucosio come nutriente• Dipende in gran parte dal glucosio che arriva col

sangue• Metabolismo respiratorio molto attivo• Non utilizzano direttamente acidi grassi come

nutrienti• Utilizza corpi chetonici nel digiuno prolungato• Utilizza la maggior parte della sua energia sotto

forma di ATP per il trasporto attivo di ioni Na e K al fine di mantenere il potenziale elettrico delle membrane neuronali

Fonti energetiche nel cervello in base allo stato nutrizionale

Metabolismo del glucosio nel cervello

Soggetto a riposo

Soggetto sveglio da 48h

Sangue

• Trasporta metaboliti, ossigeno, ormoni

• Metà del volume è occupato da– Eritrociti– Leucociti– Piastrine

La concentrazione del glucosio nel sangue è sottoposta a stretto controllo

• Sistemi ormonali di controllo

Effetti della bassa concentrazione del sangue

REGOLAZIONE ORMONALE DEL METABOLISMO ENERGETICO

Maturazione di insulina

+ peptide C

Insulina

• Cellule delle isole di Langerhans• Polipeptide con 2 catene legate da ponti S-S• Fortemente conservata (si può usare sull’uomo insulina

bovina e suina)

Ribosomi

Reticoloendoplasmico

Pre-pro-insulina

Apparato di Golgi

Pro-insulina

Insulina + C

Circolazione

Pro-insulina

Insulina + C

Secrezione normale di insulina

• Semivita plasmatica di insulina: 3-5 minuti• Semivita plasmatica di pro-insulina: molto maggiore• Pro-insulina dà reazioni crociate con insulina• Livello di peptide C discrimina insulina eso-ed endogena

Ribosomi

Reticoloendoplasmico

Pre-pro-insulina

Apparato di Golgi

Pro-insulina

Insulina + C

Circolazione

Pro-insulina

Insulina + C 95%

5%

Glucosio: ALTA Glucosio: BASSA

G-6-P

ATPADP

Ca+

Ca

ATPADP

K

++

+

+K

+++++

polarizzazione

depolarizzazione70mV

Canali KATP-dip.

Canale Ca

Granuli di insulina

Risposta delle cellule Risposta delle cellule alle modificazioni di concentrazione di glucosio alle modificazioni di concentrazione di glucosio

glucosio G-6-P ATP/ADP

leucina

Glu KG + NH4

Ca

Ca

Ins

Insulina

+

SURKIR

K

K+

+

+

K

depolarizzazione

NADP NADPH

+

diazossido

sulfonilurea+

Meccanismo di secrezione dell’insulina dalle cellule Meccanismo di secrezione dell’insulina dalle cellule del pancreas del pancreas

+ +

++

SomatostatinaCa antagonisti

GDH

GK

GK: sensore del glucosio

Y Y Y YPP

Ins.Ins.

Membrana cellulare

IRS: Insulin Receptor Substrate

autofosforilazione

Segnali intracellulari-metabolici-DNA (trascrizione. Proliferazione…..)

Effetti metabolici

Effetti cellulari

PDE3b=fosfodiesterasi 3bPI3K=fosfoinositolo 3 chinasiPP1=proteina fosfatasiGSK3= glicerolo sintasi chinasi

Acetil CoA

piruvato

++

+

+

Acidi grassiTG

lipogenesilipogenesi

glicolisiglicolisi

+

c.krebs

aa.

Sint.prot.Sint.prot.

Glicogeno sint.Glicogeno sint.

glicogeno

glucosio

Glut 4

Acetil CoA

piruvato

c.krebs

TG

+

+

lipogenesilipogenesi

Glut 4

K+ K+

glucosio

glicerolo

glicerolo

Acetil CoA

piruvato

++

+

glicolisiglicolisi

c.krebs

Glicogeno sint.Glicogeno sint.

glicogeno

Glut 2

+

Ac.grassi

TG

+lipogenesilipogenesi

aa.

+

TESSUTO ADIPOSOTESSUTO ADIPOSO

MUSCOLOMUSCOLOFEGATOFEGATO

VLDLVLDL+

Lipopr.lipasi

Sint.prot.Sint.prot.

glucosio

Glicerolo-3.P

Effetti metabolicidell’insulina

Acidigrassi

Acetil CoA

piruvato

+

+

c.krebs

-

gluconeogenesigluconeogenesi

- glicolisiglicolisi

+-

lipogenesilipogenesi

Ossidaz.Ossidaz.

Acidi grassi

Corpi chetonici

+chetogenesichetogenesi

glicerolo

alanina

lattato

glicogeno

glicogenolisiglicogenolisi

Sintesi glicogenoSintesi glicogeno

glucosio Effetti metabolicidel Glucagone

GlicogenoSintetasi a

GlicogenoSintetasi b

Fosforilasi a

Fosforilasi b

Proteinafosfatasi

FosforilasiChinasi a

FosforilasiChinasi b

ProteinaChinasicAMP dip.

Proteinafosfatasi

P

P

P

Glucosio-1-P

UDP-glc

glicogeno

cAMP

Proteinafosfatasi

P

PP

Ciclodel glicogeno

Inibitore-1 Inibitore-1-P Inibizione dellefosfatasi

Glucagoneadrenalina

P

Controllo della glicogenolisi e glicogenosintesi

ATP cAMP

Attivazione della proteina chinasi A

Fosforilazione del complesso fosfofruttochinasi-2/Fruttosio-2,6difosfatasi

Attivazione della fruttosio-2,6dPasi inattivazione della PFK-2

Diminuzione di F-2,6.dPAttivazione dellaF-1,6 dPasi

Aumento della gluconeogenesiAumento della gluconeogenesi

Inibizione PFK-1

Diminuzione della glicolisiDiminuzione della glicolisi

Adenilato c.Proteine G

Glucagone recettore Regolazione da parteRegolazione da partedel fruttosio-2,6-difosfatodel fruttosio-2,6-difosfato

TG

Acidi grassiliberi

Lipoproteinalipasi

LipasiOr. sen

Acido grasso

Acil-CoA

Acil-CoA

Acetil.CoA

citratoc.chet.citrato

Acetil-CoA

Malonil.CoA

palimitato

TG

VLDL

c.K

stearatooleato

Acetil-CoAcarbossilasi

Corpi chetonici

Inibita dalla fosforilazionecAMP dipend.

Attivata dalladefosfor.insul. dip.

adipocita

epatocita

Attivata dalla fosforilazionecAMP-dipendente