Metabolismo Energetico e Regolazione Glicemica

Importanza del Controllo della Glicemia

• L'organismo deve immagazzinare nutrienti durante i pasti e utilizzarli tra i pasti a causa dell'assunzione intermittente di cibo.
• Il cervello dipende dal glucosio, quindi i livelli ematici devono essere mantenuti costanti.

Bilancio Energetico (Figura 41-1)

• L'apporto energetico (calorie dal cibo) deve eguagliare la spesa energetica (lavoro chimico e meccanico, produzione di calore) in condizioni di stato stazionario.
• Apporto Energetico:
  • Carboidrati
  • Grassi
  • Proteine
  • Minerali
  • Anioni e cationi organici
  • Aminoacidi
• Spesa Energetica:
  • Lavoro meccanico (contrazione muscolare, movimenti cellulari)
  • Reazioni di sintesi (depositi di substrati, costruzione di tessuti, creazione di molecole funzionali)
  • Trasporto di membrana
  • Generazione e conduzione di segnali (elettrici e chimici)
  • Detossificazione e degradazione
  • Produzione di calore (regolazione della temperatura, reazioni chimiche, ossidazione/riduzione, formazione dell'urea, coniugazione inefficiente)

Conversione dei Nutrienti in Energia (Figura 20.2)

• L'ossidazione dei nutrienti produce energia, usata per sintetizzare ATP.
• Una parte dell'energia si disperde come calore.
• Prodotti finali: CO2 + H2O + NH_3
• ATP svolge varie funzioni cellulari.

Fase di Assorbimento (Anabolica)

• Carboidrati:
  • Nel fegato e muscolo scheletrico: Glucosio convertito in glicogeno (glicogenosintesi).
  • Nel fegato: Glucosio convertito in trigliceridi, trasportati al tessuto adiposo da lipoproteine.
  • Nel tessuto adiposo: Glucosio convertito in trigliceridi per l'immagazzinamento.
  • Nelle cellule: Glucosio ossidato per energia.
• Lipidi:
  • Trigliceridi sintetizzati negli adipociti da grassi ingeriti, proteine e glucosio.
  • Trigliceridi sintetizzati nel fegato trasportati al tessuto adiposo.
• Aminoacidi:
  • Utilizzati per la sintesi proteica.
  • Nel fegato: Convertiti a chetoacidi per energia e trigliceridi (poi trasportati al tessuto adiposo).

Reazioni Metaboliche Durante la Fase di Assorbimento (Figura 20.3)

• Glucosio assorbito da fegato e tessuto adiposo viene convertito in glicogeno e trigliceridi.
• Acidi grassi assorbiti dal fegato vengono convertiti in trigliceridi.
• Aminoacidi assorbiti dalla maggior parte delle cellule vengono utilizzati per la sintesi di proteine.
• Catabolismo produce CO2 + H2O + energia.

Fase di Post-Assorbimento (Catabolica)

• Carboidrati:
  • Nel fegato: Glicogeno catabolizzato a glucosio (glicogenolisi), gluconeogenesi (da precursori non carboidrati).
  • Nel muscolo: Glicogeno catabolizzato a glucosio-6-fosfato (usato per energia).
• Lipidi:
  • Nel tessuto adiposo: Trigliceridi scissi in acidi grassi e glicerolo (convertito in glucosio nel fegato, gluconeogenesi).
  • Acidi grassi: Fonte di energia per le cellule; convertiti in chetoni nel fegato.
• Aminoacidi:
  • Nel muscolo: Proteine catabolizzate ad aminoacidi, trasportati al fegato per la gluconeogenesi.

Reazioni Metaboliche Durante la Fase di Post-Assorbimento (Figura 20.4)

• Glicogeno nel fegato viene trasformato in glucosio.
• Trigliceridi nel tessuto adiposo vengono trasformati in glicerolo e acidi grassi.
• Proteine nel muscolo vengono trasformate in aminoacidi.
• Il glucosio è utilizzato nel tessuto nervoso, mentre acidi grassi e chetoni sono usati nel tessuto non nervoso.

Trasferimento di Energia tra Organi (Figura 41-3)

• Nel fegato, l'energia degli acidi grassi liberi (AGL) può essere trasformata in energia contenuta nel glucosio.
• Il lattato prodotto dal glicogeno muscolare nella glicolisi può essere convertito in glucosio (e glicogeno) nel fegato.

Flussi di Substrati Energetici Durante il Digiuno (Figura 45-11)

• Il tessuto adiposo aumenta l'apporto di acidi grassi liberi (FFA) al fegato.
• Nel fegato, gli FFA sono usati per energia, chetogenesi e gluconeogenesi.
• Nel muscolo, l'ossidazione degli FFA risparmia l'uso di glucosio.
• Il muscolo aumenta il flusso di aminoacidi al fegato per la gluconeogenesi; l'ammoniaca rilasciata è detossificata in urea.
• La produzione epatica di glucosio (glicogenolisi e gluconeogenesi) è aumentata.
• L'assunzione di glucosio da parte di fegato, tessuto adiposo e muscolo è diminuita, ma quella del cervello è sostenuta.
• La produzione di chetoacidi da parte del fegato è aumentata, e il loro uso da parte dei tessuti periferici aumenta nel tempo.

Flusso di Substrati Dopo un Pasto Normale (Figura 71.4)

• La figura illustra il flusso di substrati dopo un pasto normale contenente carboidrati, grassi e proteine.
• Principali azioni dell'insulina: Stimolazione dell'assunzione di glucosio nel muscolo scheletrico, cuore e tessuto adiposo (ma non nel fegato); attivazione della sintesi di glicogeno nel fegato e nel muscolo.
• AA = aminoacidi; CM = chilomicroni; FA = acidi grassi; Lac = lattato; TG = trigliceridi; Ur = urea; VLDL = lipoproteine a densità molto bassa.

Flusso di Substrati Durante il Digiuno, Esercizio e Inedia (Figure 71.5 A-C)

• A. Riposo (dopo 1 giorno di digiuno): Velocità metabolica = 1800 kcal/24 h = 75 kcal/h (90 W).
• B. Esercizio: Velocità metabolica = 580 kcal/h (700 W) con un carico di lavoro di 120 W.
• C. Inedia (dopo 5 settimane senza cibo): Velocità metabolica = 1500 kcal/24 h = 62.5 kcal/h (75 W).
• Principali azioni del glucagone: Stimolazione della glicogenolisi e gluconeogenesi nel fegato e della lipolisi nel tessuto adiposo.
• Principali azioni delle catecolamine e del sistema nervoso simpatico: Attivazione della glicogenolisi nel fegato e della lipolisi nel tessuto adiposo.
• AA = aminoacidi; CA = catecolamine; FA = acidi grassi; Gcg = glucagone; Gg = glicogeno; Glc = glucosio; Gll = glicerolo; KB = corpi chetonici; Lac = lattato; PR = proteine; Ur = urea.

Variazioni Durante il Digiuno Prolungato (Figura 45-12)

• Aumento dei livelli plasmatici di acidi grassi liberi, beta-idrossibutirrato e glicerolo.
• Aumento dell'escrezione urinaria di azoto.
• Diminuzione dei livelli di insulina e aumento di glucagone.

Fonti Energetiche Durante l'Esercizio Fisico (Figura 41-5)

• Utilizzo sequenziale di creatinfosfato e glicogeno per esercizi intensi di breve durata.
• Glucosio circolante e acidi grassi liberi (AGL) diventano più importanti con l'aumentare della durata dell'esercizio.
• Gli acidi grassi liberi sono il substrato principale durante l'esercizio prolungato.

Stima del Consumo Energetico in Adulti (Tabella 38-1)

• Basale: 1.1 kcal/min
• Seduti: 1.8 kcal/min
• Camminando (2.5 miglia/ora): 4.3 kcal/min
• Camminando (4.0 miglia/ora): 8.2 kcal/min
• Salendo le scale: 9.0 kcal/min
• Nuoto: 10.9 kcal/min
• Ciclismo (13 miglia/ora): 11.1 kcal/min
• Lavori domestici: 2-4.5 kcal/min
• Lavoro in fabbrica: 2-6 kcal/min
• Agricoltura: 4-6 kcal/min
• Edilizia: 4-9 kcal/min

Panoramica del Metabolismo Energetico

• Apporto energetico:
  • Dieta (fase di assorbimento: 2-3 ore dopo un pasto).
  • Liberazione dei composti energetici immagazzinati (fase post-assorbimento).
• Composti combustibili: Glucosio, AGL, AA, corpi chetonici.
• ATP: Sintetizzato dall'ossidazione dei composti energetici (40% energia, 60% calore).
• Dispendio energetico:
  • Velocità metabolica a riposo (60-70%).
  • Movimento (25-30%).
  • Integrità strutturale, funzioni differenziate, crescita, risposte a stimoli.

Importanza del Mantenimento del Glucosio Plasmatico (entro un intervallo)

• Basso glucosio ematico (ipoglicemia acuta): Problemi neurologici, coma, morte (sotto i 60 mg/100 mL).
• Alto glucosio ematico (iperglicemia cronica): Stress ossidativo, aumento dei lipidi intracellulari, insulino-resistenza, disfunzione delle cellule beta, T2DM (sopra i 110 mg/100 mL).

Sintesi di ATP

• Glucosio, aminoacidi, acidi grassi liberi e corpi chetonici sono utilizzati per sintetizzare ATP.
• Processo: Glicolisi, ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa.

Produzione e Utilizzo dei Corpi Chetonici

• Produzione nel fegato da AA, AGL e glucosio.
• Utilizzo nei tessuti periferici.

Metabolismo del Glicogeno nel Fegato

• Il fegato immagazzina circa 100 g di glicogeno.
• La glicogeno sintasi aggiunge glucosio-1-fosfato alle catene di glicogeno.
• La glicogeno fosforilasi rimuove il glucosio dal glicogeno.
• Il fegato esprime la glucosio-6-fosfatasi, permettendo al glucosio dal glicogeno epatico di contribuire alla glicemia.

Metabolismo del Glicogeno nel Muscolo

• Il muscolo immagazzina circa 400 g di glicogeno.
• Il glicogeno muscolare non è usato per aumentare il glucosio ematico in caso di ipoglicemia.
• È mobilizzato durante l'esercizio per produrre ATP.
• Il muscolo non esprime la glucosio-6-fosfatasi, quindi il glucosio-6-fosfato non lascia la cellula.

Gluconeogenesi

• Il fegato sintetizza glucosio da aminoacidi, glicerolo e lattato per mantenere costante il glucosio plasmatico.

Pancreas Endocrino

• Cellule α: Glucagone.
• Cellule β: Insulina, amilina.
• Cellule D (δ): Somatostatina.

Regolazione Ormonale e Metabolica

• L'insulina e il glucagone regolano il metabolismo dei substrati nel fegato e nei tessuti periferici.
• La secrezione degli ormoni insulari è coordinata con la secrezione degli enzimi pancreatici, stimolata dai nutrienti nel tratto gastrointestinale.

Sintesi dell'Insulina

• La sintesi avviene nel reticolo endoplasmatico rugoso e nell'apparato di Golgi.
• La proinsulina viene convertita in insulina e peptide C.

Molecola dell'Insulina

• Composta da catene A e B unite da ponti disolfuro.

Regolazione della Secrezione di Insulina

• Stimolata da glucosio, aminoacidi, acidi grassi liberi, acetilcolina, noradrenalina, adrenalina e peptide glucagone-simile.

Meccanismo di Secrezione dell'Insulina

• Il glucosio entra nelle cellule beta attraverso GLUT2, viene ossidato, producendo ATP.
• L'ATP chiude i canali K+, depolarizzando la cellula.
• L'aumento di Ca^{++} innesca l'esocitosi dell'insulina.

Azioni dell'Insulina

• Stimola l'inserimento di trasportatori GLUT-4 nella membrana cellulare (muscolo e tessuto adiposo) per facilitare l'ingresso del glucosio.
• Nel fegato, l'insulina promuove l'assorbimento del glucosio durante lo stato assimilativo e la produzione di glucosio durante lo stato post-assimilativo.

Recettore dell'Insulina

• L'insulina si lega al recettore, attivando la tirosina chinasi e una cascata di fosforilazioni che influenzano il metabolismo di glucosio, grassi e proteine.

Sensibilità all'Insulina

• L'insulina inibisce la lipolisi e la produzione di glucosio, stimola l'assunzione di glucosio.

Effetti della Carenza di Insulina

• Iperglicemia, glicosuria, poliuria, polidipsia, polifagia, chetosi, disidratazione, acidosi metabolica, coma diabetico, atrofia muscolare.

Diabete di Tipo I e Tipo II

• Tipo I: Insulino-dipendente, esordio giovanile, bassi livelli di insulina.
• Tipo II: Insulino-resistente, esordio adulto, livelli di insulina variabili.

Cause dell'Insulino-Resistenza

• Obesità, eccesso di glucocorticoidi, ormone della crescita, gravidanza, malattie genetiche.

Glucagone

• Deriva dal preproglucagone, processato in modo diverso nelle cellule A pancreatiche e nelle cellule L intestinali.
• Stimola la produzione epatica di glucosio, la lipolisi e la chetogenesi.

Regolazione del Glucosio Plasmatico

• L'insulina diminuisce il glucosio plasmatico, mentre il glucagone e le catecolamine lo aumentano.

Azioni di Insulina, Glucagone e Catecolamine

• Influiscono sull'assunzione di glucosio e aminoacidi, sulla sintesi e degradazione di glicogeno e proteine, sulla lipogenesi e lipolisi.

Interazione tra Ormoni e Metabolismo

• L'insulina promuove l'assunzione di glucosio, la sintesi di glicogeno e lipidi.
• Il glucagone promuove la glicogenolisi e la gluconeogenesi.

Regolazione Ormonale del Glucosio nel Sangue

• Glucagone, insulina, adrenalina e cortisolo regolano la glicemia attraverso meccanismi di feedback.