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Corso di Laurea in Scienze della Nutrizione Umana

I Carboidrati. Generalit e Metabolismo Cellulare

Candidato

Francesco Paolo Iavarone

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CARBOIDRATI ........................................................................................................................................ 3 LA DIGESTIONE ..................................................................................................................................... 4 ASSORBIMENTO .................................................................................................................................... 5 IL METABOLISMO CELLULARE DEI CARBOIDRATI .................................................................... 6 GLICOLISI ................................................................................................................................................. 7 TAPPE ....................................................................................................................................................... 9 LA VIA DEI PENTOSO FOSFATI ...................................................................................................... 10 IMPORTANZA DEL NADPH e G6PDH ........................................................................................... 13 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 14 SITOGRAFIA ......................................................................................................................................... 14

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CARBOIDRATI I carboidrati costituiscono la fonte di energia principale per lo svolgimento di tutte le funzioni

organiche (mantenimento della temperatura corporea, battito cardiaco, funzioni cerebrali,

digestione, lassorbimento degli altri fattori nutritivi, etc.) e la contrazione muscolare.

La caratteristica principale dei carboidrati fornire calorie immediatamente disponibili per i

processi energetici. Producono calorie dalla reazione tra carbonio e ossigeno.

I carboidrati rappresentano la fonte della pi consistente quantit di energia in quasi tutte le

diete.

In natura sono pi abbondanti e meno costosi da ottenere, perch hanno una origine

soprattutto vegetale, rispetto agli alimenti pi ricchi in proteine e grassi, che hanno prevalente

origine animale.

I carboidrati vengono "bruciati" durante le reazioni della respirazione cellulare (la glicolisi ed il

ciclo di Krebs) ottenendo energia che viene immagazzinata nelle molecole di Adenosintrifosfato

(ATP), anidride carbonica e acqua.

A livello della loro struttura chimica, come i grassi, anche i carboidrati sono composti ternari,

formati cio da tre molecole:

carbonio (C);

idrogeno (H);

ossigeno (O).

Questo consente ai carboidrati di potere essere trasformati in grassi, e costituire una riserva

energetica di lungo periodo, e ai grassi di essere trasformati in carboidrati. Per quanto riguarda

le proteine composte, oltre che da C, H, O, anche da azoto N, non possibile ricavarle da

carboidrati e grassi proprio per la mancanza dell'azoto. Mentre possibile trasformare le

proteine in grassi e carboidrati.

I carboidrati sono la fonte energetica principale per lo svolgimento di tutte le funzioni

dell'organismo come:

-mantenimento della temperatura corporea;

-battito cardiaco;

-funzioni cerebrali;

-digestione;

-assorbimento di tutti i fattori nutritivi (macronutrienti e micronutrienti);ma soprattutto, sono

la fonte energetica principale per l'esercizio muscolare.

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Anche gli altri macronutrienti (grassi in primis, proteine ed alcool) forniscono energia. Ma i

carboidrati, godono della caratteristica che le calorie che essi forniscono, sono

immediatamente disponibili per compiere lavoro.

Altre propriet, e non di poco conto dei carboidrati sono:

-nella nostra dieta sono sempre presenti in alte percentuali, rispetto agli altri

macronutrienti;

-in natura sono abbondanti e meno costosi da ottenere, soprattutto per la loro origine

vegetale, rispetto agli alimenti pi ricchi di proteine e grassi, che sono soprattutto di origine

animale.

LA DIGESTIONE La digestione dei carboidrati inizia nella bocca. La saliva contiene un enzima, l'amilasi salivare,

che idrolizza i legami (alfa-glicosidico) dell'amido cotto, formando le destrine (carboidrati con

un peso molecolare medio. La loro catena corta rispetto all'amido, quindi risultano di pi

facile assorbimento).

L'azione dell'amilasi salivare comunque molto limitata, sia a causa della limitata permanenza

in bocca, che per l'ambiente acido dello stomaco.

La digestione dei carboidrati riprende nell'intestino ad opera dell'amilasi pancreatica che

idrolizza le destrine a maltosio. Successivamente, la digestione si completa ad opera

dell'enzima maltasi, che idrolizza il maltosio e dell'enzima deramificante il quale, rompendo i

legami delle ramificazioni, permette la liberazione del glucosio.

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ASSORBIMENTO I monosaccaridi (fruttosio, glucosio e galattosio) sono assorbiti in piccola parte nello stomaco e

nella maggior parte nell'intestino tenue, per opera dei villi intestinali. Da qui vengono riversati

nella circolazione sanguigna e, attraverso la vene porta, raggiungono il fegato.

Dal fegato possono: o essere direttamente trasformati in glicogeno formando le riserve di

glicogeno epatico, oppure essere riversati nella circolazione sistemica attraverso la quale

raggiungono le varie cellule dell'organismo.

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IL METABOLISMO CELLULARE DEI CARBOIDRATI Tutti i carboidrati forniscono la stessa quantit di energia: 4Kcal per grammo. Tutti devono

essere idrolizzati a monosaccaridi, per potere essere assorbiti. Dopo l'assorbimento vengono

inviati al fegato attraverso la vena porta. Dal fegato, come viene evidenziato nella figura

precedente, il glucosio ha tre alternative: 2 riguardano la possibilit di essere immagazzinato a

riserva, l'altra quella di raggiungere le cellule dei tessuti dell'organismo e da li essere utilizzato

per produrre energia.

Nelle cellule, il glucosio viene utilizzato per produrre energia attraverso varie vie metaboliche:

- la via metabolica anaerobica (La glicolisi anaerobica), la cui sede il citoplasma

cellulare, questo l'unico meccanismo in grado di fornire rapidamente ATP, nell'uomo la

glicolisi accoppiata alla respirazione aerobica (In presenza di ossigeno, il mitocondrio

internalizza il piruvato, ossidandolo ulteriormente ad ottenere CO2 e acqua. Per questo motivo,

l'attivit glicolitica nei mammiferi minore di quella dei microrganismi anaerobici: il numero di

molecole di ATP che possono essere ottenute dalla ossidazione completa del piruvato, infatti,

18-19 volte maggiore di quello proveniente dalla sola glicolisi.); La glicolsi un processo

metabolico mediante il quale, in condizioni di anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio

viene scissa in due molecole di piruvato al fine di generare molecole a pi alta energia, come 2

molecole di ATP e 2 molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata

- La via dei pentosi fosfato

La via dei pentoso fosfati (definita anche Shunt dell'Esosomonofosfato [HMP shunt] o PPP da

Pentose phosphate pathway) un processo metabolico citoplasmatico, parallelo alla glicolisi, in

grado di generare NADPH e zuccheri pentosi (a 5 atomi di carbonio). Costituisce la via

alternativa seguita da tutti quei batteri che non possiedono nel loro bagaglio enzimatico

l'enzima aldolasi, fondamentale per proseguire nella glicolisi a livello della quarta reazione delle

cinque della fase preparatoria.

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GLICOLISI

Il glucosio la principale fonte energetica dell'organismo, in grado di fosforilare l'ADP e

trasformarlo in ATP.

Le reazioni che portano alla rottura del glucosio o di altre molecole ad alto contenuto

energetico, sono ossidoriduzioni che avvengono in modo graduale.

le prime tappe di questo complesso processo prendono il nome di glicolisi e avvengono nel

citoplasma delle cellule.

Si tratta di una serie di reazioni che inizialmente portano al consumo di 2 ATP per ogni

molecola di glucosio, ma che poi permettono la produzione di 4 ATP, con un guadagno netto di

2 ATP.

4 gruppi fosfato si legano a molecole derivate dal glucosio e successivamente vengono ceduti

per la formazione di 4 molecole di ATP.

Durante il processo vengono inoltre prodotti 2 NADH.

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Al termine della glicolisi, il glucosio stato trasformato in 2 molecole di acido piruvico, una

molecola a 3 atomi di carbonio, che contiene ancora nei suoi legami una certa quantit di

energia.

La reazione complessiva :

Glucosio + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+--->2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

La glicolisi una via metabolica che si svolge nel citoplasma in assenza di ossigeno (anaerobiosi)

e nei mitocondri (aerobiosi): riguarda il catabolismo del glucosio-6P.

Il glucosio-6-fosfato intracellulare pu avere differenti destini. Infatti, nel fegato e nei muscoli

pu prendere la via della glicogenosintesi per sintetizzare glicogeno, rispettivamente epatico e

muscolare. Inoltre circa il 3% del glucosio intracellulare viene ossidato nella via dei pentoso-

fosfati che principalmente preposta alla sintesi del NADPH (NAD-fosfato-ridotto) ed alla

sintesi del ribosio-5-fosfato. Il NADPH viene utilizzato dalla cellula per i propri processi

biosintetici; il ribosio-5-fosfato viene utilizzato per la sintesi di tutti i nucleotidi.

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TAPPE

(Fase di Investimento)

Il glucosio intracellulare viene fosforilato per azione dell'enzima esochinasi e

trasformato in glucosio-6-fosfato con consumo di una molecola di ATP

ll passaggio successivo della glicolisi consiste nella isomerizzazione del glucosio-6-fosfato

a fruttosio-6-fosfato ad opera dell'enzima fosfoglucosio isomerasi

In seguito all'isomerizzazione, il fruttosio 6-fosfato viene sottoposto ad un'altra

fosforilazione. L'enzima fosfofruttochinasi catalizza tale reazione fino alla produzione di

fruttosio-1,6-bisfosfato, trasferendo un fosfato dall'ATP alla posizione 1 della molecola

di fruttosio

l fruttosio-1,6-bisfosfato prodotto dal precedente step , di fatto, la versione attivata

vera e propria del glucosio, quindi la glicolisi pu avviare la degradazione vera e propria,

producendo, grazie allazione dellenzima aldolasi, una scissione del fruttosio-1,6-

bisfosfato in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato

La trioso fosfato isomerasi l'enzima deputato a convertire il diidrossiacetone fosfato in

gliceraldeide-3-fosfato, il substrato unico del successivo step prelevando un H+ da un

atomo di carbonio, spostandolo su un altro vicino: in questo modo il trioso passa dalla

forma chetonica a quella aldeidica

(Fase di Rendimento)

La gliceraldeide-3-fosfato viene convertita in 1,3-bisfosfoglicerato dalla gliceraldeide-3-

fosfato deidrogenasi.Tale reazione consiste nella somma di due processi: l'ossidazione

dell'aldeide ad acido carbossilico mediata dal coenzima NAD+ (che si riduce a NADH) e la

fosforilazione, (cio l'attacco di un gruppo fosfato) al gruppo carbossilico.

La settima tappa della glicolisi consiste nell'inizio della vera e propria fase di recupero,

che consiste nella produzione di ATP. Attraverso l'enzima, fosfoglicerato chinasi, infatti,

l'1,3-bisfosfoglicerato cede un gruppo fosfato ad un ADP, che cos viene ricaricato ad

ATP.

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Reazione di arrangiamento lottava reazione della glicolisi consiste nel cambio di

posizione del gruppo fosfato dal carbonio in posizione 3 a quello in posizione 2,

attraverso la catalisi della fosfoglicerato mutasi

La penultima reazione consiste in una disidratazione del 2-fosfoglicerato che porta alla

formazione di fosfoenolpiruvato, un composto ad alta energia, ed acqua. Questa

disidratazione catalizzata dall'enzima enolasi

Nell'ultima tappa il fosfoenolpiruvato, ad opera della piruvato chinasi, viene anzitutto

idrolizzato in enolpiruvato. Il gruppo fosfato viene ceduto ad un ADP per formare ATP.

L'energia necessaria alla produzione di ATP proviene dalla conversione dell'enolpiruvato

in piruvato, reazione fortemente esoergonica..La piruvato chinasi un enzima

fortemente regolato: esso viene infatti inibito da acidi grassi, citrato e ATP, ovvero i suoi

prodotti (feedback). Un tale controllo a valle garantisce che l'ATP venga prodotto solo in

caso di effettivo bisogno. Esiste anche una regolazione a monte attuata dal fruttosio 1-6

bisfosfato, il quale annulla l'inibizione (regolazione feed-forward).

l piruvato il prodotto finale della glicolisi e, a seconda degli organismi e delle condizioni

fisiologiche, pu andare incontro a diversi destini, tra cui la sua trasformazione in acetil-CoA

tramite la decarbossilazione ossidativa.

In anaereaobiosi si ha una sequenza lineare di reazioni, in cui gli intermedi sono tutti fosforilati

per impedire che fuoriescano dalla cellula, suddivisa in 2 fasi:

I FASE (consumo di ATP)

consumo di 2 molecole di ATP per attivazione dei substrati (glucosio, fruttosio-6P)

II FASE (produzione di ATP)

rottura della molecola a 6 atomi di carbonio in 2 molecole a 3 atomi di carbonio

2 reazioni di ossido-riduzione che, grazie alla presenza in 2 substrati (1,3BPG e PEP) di legami

altamente energetici, conducono alla

sintesi di ATP a livello del substrato

cos definita per differenziarla dalla fosforilazione ossidativa che avviene nel mitocondrio

accoppiata alla catena respiratoria.

LA VIA DEI PENTOSO FOSFATI

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La via dei pentosi, citoplasmatica, una via catabolica del glucosio e viene attivata secondo

specifiche esigenze metaboliche. Lo scopo di questa via non di ossidare glucosio per produrre

ATP, ma produrre RIBOSIO e NADPH + H+

Il ribosio viene utilizzato per la sintesi dei nucleotidi liberi (ATP, GTP, CTP, UTP) e degli acidi

nucleici.

Il NADP+ costituisce, in forma ridotta NADPH + H+ il potere riducente, cio una forma di

energia utilizzata in sede extra-mitocondriale per numerosi processi di biosintesi di molecole

altamente ridotte (acidi grassi, colesterolo).

NAD+ e NADP+, coenzimi molto simili per struttura, hanno ruoli completamente diversi in

compartimenti cellulari differenti.

NADH riossidato in catena respiratoria mitocondriale 3ATP

NADPH impiegato nel citoplasma biosintesi di molecole altamente ridotte

Questa via avviene nel fegato, tessuto adiposo, corteccia surrenale, tiroide, eritrociti, testicoli e

muscoli (qui la quantit di G6P Deidrogenasi bassa quindi viene attivata da R5P)

Esistono 2 fasi distinte:

la fase ossidativa: Consiste nella generazione di 2 molecole NADPH e di una molecola di

ribulosio-5-P

la fase non ossidativa: riconversione dei pentosi in esosi

Fase Ossidativa

- Ossidazione del C1 del glucosio-6-fosfato al NADP+ ad opera della glucosio-6-fosfato

deidrogenasi per generare una molecola di 6-fosfoglucono--lattone e produrre la prima

molecola di NADPH.

- Idratazione dettata dalla 6-fosfoglucono-lattonasi si ottiene un 6-fosfogluconato

- Decarbossilazione Ossidativa dalla 6-fosfogluconato deidrogenasi per generare il

ribulosio-5-fosfato (Ru5P) e un secondo NADPH.

- Il Ru5P viene facilmente convertito in ribosio-5-fosfato da una fosfopentosio isomerasi

oppure a xilulosio-5-fosfato (Xu5P) da una fosfopentosio epimerasi.

Fase non ossidativa

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- Il D-ribulosio-5-P produce xilulosio-5-P tramite l'enzima fosfopentosio epimerasi e D-

ribosio-5-P tramite l'enzima fosfopentosio isomerasi

- Il D-xilulosio-5-P e il ribosio-5-P vengono ricombinati dall'enzima transchetolasi a dare

D-gliceraldeide-3-P e D-sedoeptulosio-7-P

- La D-glIceraldeide-3-P e il D-sedoeptulosio-7-P vengono ricombinati dall'enzima

transaldolasi a dare D-fruttosio-6-P e D-eritrosio-4-P

- Il D-eritrosio-4-P viene ricombinato dall'enzima transchetolasi con D-xilulosio-5-P

(prodotto dal D-ribulosio-5-P) a dare D-gliceraldeide-3-P e D-fruttosio-6-P

Lo schema sopra dimostra la relazione che persiste tra glicolisi e via del p5 con il glucosio-6-

fosfato (G6P) e Gliceraldeide-3-Fosfato (GAP) quasi condivisi. Il processo dar piruvato dal

quale si produrr Acetil-Coa ed anidride carbonica i quali entreranno nel ciclo dellacido citrico

con produzione di FADH2 e NADH dentro la fosforilazione ossidativa questultima generatrice di

ATP

Il prodotto di questa via metabolica quindi

-nella fase ossidativa: 1 NADPH (reazioni biosintesi riduttive) e 1 Ribosio-5-P (sintesi nucleotidi)

-nella fase non ossidativa: 2 moli di Fruttosio-6-Fosfato e 1 mole di Gliceraldeide-3-Fosfato che

protranno essere impegnati nella glicolisi e gluconeogenesi.

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IMPORTANZA DEL NADPH e G6PDH

Tessuti ed organi devono provvedere autonomamente a procurarsi Ribosio-5-fosfato per la

sintesi di nucleotidi ed acidi nucleici pertanto il significato metabolico della via dei 5p sta

proprio nellimportanza del NADPH per produrre colesterolo, acidi grassi ed ormoni.

Medesima importanza da attribuire allenzima che converte il G6P in 6-fosfoglucono--

lattone cio la G6PDeidrogenasi. Questo un enzima chiave, impone il ritmo della via e

mantiene il glutatione ridotto, potente antiossidante che combatte i ROS presenti nelle cellule.

Una dieta con unalta quota di carboidrati sicuramente favorisce elevati livelli di questo enzima,

daltro canto, in caso di deficit, i gruppi solfidrilici dellemoglobina non possono pi essere

mantenuti nella forma ridotta, si creano pertanto legami crociati tra molecole di emoglobina

formando i corpi di Henz danneggiando cos le membrane, preda dei ROS con deformazione e

lisi cellulare

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BIBLIOGRAFIA

I principi di biochimica di Lehninger, di David L. Nelson, Michael M. Cox Ed. Zanichelli

Shils ME, Shike M, Ross AC, Caballero B, Cousins RJ, eds. Mo- dern Nutrition in Health and

Disease. 10th edition. Baltimore: Lip- pincott Williams & Wilkins, 2005.

SINPE. Manuale di nutrizione artificiale. II edizione 2007. Alfredo Guida Editore, 2007.

SINPE. Precisazioni in merito alle implicazioni bioetiche della Nu- trizione Artificiale.

http://www.sinpe.it/Documenti/files/299.pdf.

Societ Italiana di Nutrizione Umana (SINU). Livelli di assunzione raccomandata di energia e

nutrienti per la popolazione italiana LARN. Roma: Societ Italiana di Nutrizione Umana, 2006.

Stipanuk MH. Biochemical, Physiological & Molecular Aspects of Human Nutrition. 2nd Edition.

St. Louis: Saunders, 2006.

Thomas B, Bishop J, eds. Manual of dietetic practice, 4th edition. Oxford: Blackwell Science Ltd.,

2007.

World Health Organization Study Group. Methodology of nutri- tional surveillance. Report of a

Joint FAO/UNICEF/WHO Expert Committee. World Health Organ Tech Rep Ser 593, 1976.

SITOGRAFIA

www.wikipedia.it

http://motricitascuola.artervista.org

http://snu.unisanraffaele.gov.it

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