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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.