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 nelsangue
• Assume e rilascia glucosio in risposta agliormoni 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 ilglucosio (Km ~ 0.1 mM:alta affinità) e sono inibite daG6P
• Ad alta [glucosio], il fegato assume glucosio a una velocità più o meno proporzionale alla suaconcentrazione
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 escretanella 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)
cirrosidotti 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 ètossica 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 quantitàingerita
• 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 perossidazionelipidica 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 piùforme (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 glucuronicocon formazione di glucuronidi
2-la coniugazione di fenoli, alcooli, amine consolfati per dare origine a formazione di solfatiassai 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 parte
delfegato
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 dellComposizione biochimica dell’’adipocitaadipocita
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
β-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
insulinaCaffeinateofillina
+-
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
M aturazione di insulina
+ peptide C
Insulina
• Cellule β 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 ββ alle modificazioni di concentrazione di glucosioalle modificazioni di concentrazione di glucosio
glucosio G-6-P ATP/ADP
leucina
Glu αKG + NH4
Ca
Ca
Ins
Insulina
+
SURKIR
K
K+
+
+
K
depolarizzazione
NADP NADPH
+
diazossido
sulfonilurea+
Meccanismo di secrezione dellMeccanismo di secrezione dell’’insulina dalle cellule insulina dalle cellule ββ del pancreasdel 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.protSint.prot..
Glicogeno Glicogeno sintsint..
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 Glicogeno sintsint..
glicogeno
Glut 2
+
Ac.grassi
TG
+ lipogenesilipogenesi
aa.
+
TESSUTO ADIPOSOTESSUTO ADIPOSO
MUSCOLOMUSCOLOFEGATOFEGATO
VLDLVLDL+
Lipopr.lipasi
Sint.protSint.prot..
glucosio
Glicerolo-3.P
Effetti metabolicidell’insulina
Acidigrassi
Acetil CoA
piruvato
+
+
c.krebs
-
gluconeogenesigluconeogenesi
- glicolisiglicolisi
+-
lipogenesilipogenesi
OssidazOssidaz..
Acidi grassi
Corpi chetonici
+chetogenesichetogenesi
glicerolo
alanina
lattato
glicogeno
glicogenolisiglicogenolisi
Sintesi glicogenoSintesi glicogeno
glucosio Effetti metabolicidel Glucagone
GlicogenoSintetasi a
GlicogenoSintetasi b
Fosforilasia
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 Aumento della gluconeogenesigluconeogenesi
Inibizione PFK-1
Diminuzione della glicolisiDiminuzione della glicolisi
Adenilato c.Proteine G
Glucagone recettore Regolazione da parteRegolazione da partedel fruttosiodel fruttosio--2,62,6--difosfatodifosfato
TG
Acidi grassiliberi
Lipoproteinalipasi
LipasiOr. sen
Acido grasso
Acil-CoA
Acil-CoA
Acetil.CoA
citrato c.chet.citrato
Acetil-CoA
Malonil.CoA
palimitato
TGVLDL
c.K
stearatooleato
Acetil-CoAcarbossilasi
Corpi chetonici
Inibita dalla fosforilazionecAMP dipend.
Attivata dalladefosfor.insul. dip.
adipocita
epatocita
Attivata dalla fosforilazionecAMP-dipendente
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