Fegato • ghiandola esocrina produce bile • a secrezione interna riversa nel torrente circolatorio i prodotti del suo metabolismo • regola la concentrazione dei costituenti plasmatici • vi confluiscono i substrati nutrizionali elementari assorbiti dall’intestino, o prodotti dal catabolismo dei tessuti (glucosio, aminoacidi, acidi grassi) Fegato - adegua l’attività enzimatica alle variazione dei substrati (flessibilità metabolica) -elimina le sostanze non escrete dal rene -trasforma le scorie metaboliche che i tessuti producono nuovi combustibili metabolici composti destinati all’escrezione - ha un ruolo fondamentale nel processo di assorbimento degli acidi grassi a lunga catena (secrezione biliare) Principali funzioni del fegato (a) Deposito di glicogeno che può essere usato come sorgente di glucosio plasmatico (b) Controllo dell’assorbimento del glucosio (c) Sintesi di acidi grassi come forme di deposito di calorie in eccesso (d) Metabolismo di acidi grassi a chetoni (e) Deposito e metabolismo di vitamine (f) Sintesi di proteine plasmatiche (g) Detossificazione chimica di tossine chimiche prodotte endogenamente e somministrate esogenamente e filtrazione meccanica di batteri (h) Mantenimento del normale equilibrio idrosalino (i) Secrezione della bile RUOLO METABOLICO DELLE ULTRASTRUTTURE DELL’EPATOCITA ACIDI BILIARI glicina taurina Gli acidi glicocolico e taurocolico derivano dalla coniugazione dell’acido colico rispettivamente con glicina e taurina (analogamente per gli acidi glicochenodesossicolico e taurochenodesossicolico). Metabolismo dei sali biliari colesterolo ac. colico ac. desossicolico ac. chenodesossicolico ac. litocolico ac. solfolitocolico ac. biliari primari ac. chetolitocolico ac. biliari secondari ac.ursodesossicolico ac. biliari terziari COLESTEROLO ~50% del colesterolo è sintetizzato dal fegato (l’altro ~50% dall’intestino) Il 95% del colesterolo è presente nella bile in forma non esterificata ed è mantenuto in soluzione da micelle contenenti acidi biliari, e lecitina. METABOLISMO GLUCIDICO L’attività glucostatica è la principale funzione del fegato nel metabolismo glucidico L’omeostasi glucidica si esplica con: - immagazzinamento del glicogeno - rilascio del glucoso dal glicogeno - utilizzazione del glucoso (glicolisi, shunt esosomonofosfato) - sintesi di glucoso (gluconeogenesi) - conversione dei glucidi in acidi grassi I monosaccaridi: (glucosio, fruttosio, mannosio, galattosio) provenienti dal catabolismo intestinale dei carboidrati giungono al fegato dove vengono fosforilati e convertiti in glucosio ad opera di specifiche isomerasi. La membrana cellulare epatica è permeabile al glucosio: [glucosio]epatocita = [glucosio]plasmatica il suo trasporto nell’epatocita è indipendente dall’insulina viene fosforilato a glucosio 6-fosfato (G6-P) dalla glucocinasi (enzima stimolato dall’insulina) Il G6-P non attraversa la membrana plasmatica L’eccesso di glucosio epatico viene immaganazzinato come glicogeno attraverso la via della glicogenosintesi Entrata nella glicolisi di altri esosi Questa via è prevalente ed è insulina-indipendente Sia la galattocinasi che la fruttocinasi sono presenti in quantità ridotta nel fegato fetale e aumentano dopo la nascita FRUTTOSIO GALATTOSIO MANNOSIO Il mannosio è il prodotto di digestione dei polisaccaridi e glicoproteine Chimicamente è l’epimero in C2 del glucosio Glicogeno 1/3 2/3 fegato (10 % del peso) muscolo Il glicogeno è un polimero di D-glucosio con legami 1-4, ramificato con legami 1-6 ogni 10 unità di glucosio. Nel muscolo e nel fegato ci sono diverse forme di glicogeno MUSCOLO b particelle particelle sferiche che contengono fino a 60.000 residui di glucoso FEGATO a particelle organelli cellulari: Glicosomi aggregati a rosetta di b particelle contenenti anche una parte proteica (pool enzimatico della glicogenosintesi, della glicogenolisi e di regolazione) GLICOGENO Immagazzinare glucosio in forma polimerizzata riduce lo stress osmotico cellulare che si avrebbe con elevate concentrazioni di glucosio Nella cellula epatica: [glicogeno] = 10 nM [glucosio] = 0.4 M Glicogenosintesi UDP-glucosio è il donatore di glucosio nella biosintesi di glicogeno (legame 1-4) La reazione è catalizzata dalla glicogeno sintetasi e necessita di uno stampo di glicogeno preformato Le ramificazioni 1-6 sono catalizzate dall’enzima ramificante che lega porzioni della catena lineare a 1-4 con legami a 1-6 ogni ~ 10 unità di glucosio FOSFOGLUCOMUTASI UDP-glucosio pirofosforilasi GLICOGENO SINTETASI ENZIMA RAMIFICANTE glicogeno sintetasi attiva: non fosforilata inattiva: fosforilata glicogeno fosforilasi attiva: fosforilata inattiva: non fosforilata La stimolazione ormonale di AMPc determina la contemporanea attivazione della glicogenolisi e inattivazione della glicogenosintesi Il glicogeno epatico può essere sintetizzato anche da composti intermedi della glicolisi: acido piruvico acido lattico (prodotto dal muscolo) Il muscolo è incapace di utilizzare il lattato per l’elevato rapporto NADH/NAD+ Ciclo di Cori Il glicogeno epatico è sintetizzato anche da: lipidi e fosfolipidi a partire dal glicerolo proteine per deaminazione di aminoacidi vie secondarie che diventano importanti in condizioni di basso apporto di carboidrati Glicogenolisi La glucoso 6 -fosfatasi non è presente nel muscolo scheletrico La fosforilasi epatica è ATP-indipendente glicogenolisi 85% glucosio -1P 15% glucosio GLICOGENO FOSFORILASI ENZIMA DERAMIFICANTE L’attivazione della fosforilasi b è sotto il controllo ormonale. Una riduzione della glicemia stimola le cellule a di Langerhans del pancreas a secernere glucagone La fosforilasi cinasi muscolare si differenzia da quella epatica perché è stimolata da epinefrina Nell’epatocita la fosforilasi a inibisce la glicogenosintesi (inibendo la glicogeno sintetasi fosfatasi) la isoforma muscolare no CONTROLLO ORMONALE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO GLICOGENOSI Glycogen Storage Disease Tipo Enzima Clinica Glicogenosi epatiche Ia glucoso-6-fosfatasi Ib glucoso-6-fosfato translocasi III deramificante IV ramificante cirrosi (frequente) VI & IX fosforilasi epatica & fosforilasi cinasi lieve ipoglicemia glicogenosi muscolari II a-glicosidasi lisosomiale V fosforilasi muscolare VII fosfofruttocinasi grave ipoglicemia “ (~10% di Ia) cirrosi (rara) Shunt dell’esosomonofosfato (pentoso fosfato) Via alternativa alla glicolisi del catabolismo di G6-P Circa la metà del glucosio mobilizzato nel fegato entra nella via del pentoso fosfato via metabolica importante per il fegato (tessuto adiposo, ghiandola mammaria, oligodendrociti, corteccia surrenale, eritrociti) ovvero nei tessuti in grado di effettuare sintesi riduttive Nel muscolo è assente Funzioni della via del pentoso fosfato principale produzione di NADPH potere riducente per le biosintesi di acidi grassi e steroidi produrre pentosi tra cui D-riboso utilizzato per la sintesi di nucleotidi degradazione ossidativa dei pentosi in esosi che entrano nella glicolisi 3 G6-P + 6 NADP+ +3 H2O 2 F6-P + GA 3-P + 3 CO2 + 6 (NADPH +H+) 6 G6-P + 12 NADP+ +6 H2O 6 Ribuloso5-P + 6 CO2 + 12 (NADPH + H+) transaldolasi, transchetolasi, gluconeogenesi 5 G6-P + Pi 5 G6-P + 6 CO2 + 12 (NADPH + H+) + Pi G6-P + 12 NADP+ + 6 H2O 6 CO2 + 12 (NADPH + H+) + Pi Relazione tra la glicolisi e la via del pentoso fosfato l’eccesso di R5P viene convertito in intermedi glicolitici Gluconeogenesi La gluconeogenesi è il processo di sintesi di glucosio a partire da precursori non glucidici Il cervello consuma 120 g di glucosio al giorno ~ 300 g di glucidi 70 g sono presenti nel fegato digiuno di 24 ore deplezione quasi totale delle riserve epatiche di glicogeno Precursori glucogenetici - Lattato e Piruvato - Intermedi del ciclo di Krebs - Gli scheletri carboniosi degli aminoacidi (dopo deaminazione) - Acidi grassi a catena dispari ossalacetato lisina e leucina sono gli unici aminoacidi che non possono essere convertiti in ossalacetato perché il loro catabolismo porta ad acetil-CoA e negli animali non esiste una via metabolica: Acetil-CoA ossalacetato Ciclo dell’acido citrico Via del gliossilato Alternate regulation of glycolysis involving PEP‐dependent PGAM1 phosphorylation. A proposed model for the glycolytic pathway from 3PG to pyruvate that includes PEP‐dependent phosphorylation of PGAM1 is shown. PEP donates its phosphate to PGAM1 resulting in pyruvate production and priming of H11 on PGAM1. Da piruvato a fosfoenolpiruvato La conversione del piruvato in ossalacetato è la “strategia” per aggirare l’ostacolo energetico della conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato termodinamicamente svavorevole trasporto del PEP e dell’ossalacetato dal mitocondrio al citosol Nel fegato l’attività della fosfofruttocinasi e della fruttoso 1,6-bifosfatasi sono controllate dal fruttoso 2,6 difosfato METABOLISMO LIPIDICO - digestione e assorbimento intestinale dei lipidi (secrezione biliare) - sintesi, trasformazione, demolizione, interconversione (di trigliceridi e fosfolipidi) Al fegato arrivano i lipidi assorbiti dall’intestino (veicolati come chilomicroni), e quelli provenienti dalle varie sedi di deposito come acidi grassi liberi, o legati all’albumina o come complessi lipoproteici BIOSINTESI DEGLI ACIDI GRASSI nel fegato (diversamente dal tessuto adiposo) la sorgente di carbonio per la sintesi degli acidi grassi è il fruttosio e il lattato lattico deidrogenasi Acido Lattico Acido Piruvico piruvato deidrogenasi Acido Piruvico Acetil-CoA Acetil-CoA precursore principale Il complesso enzimatico della bosintesi è nel citosol La piruvato deidrogenasi è nel mitocondrio Acetil-CoA è impermeabile alla membrana mitocondriale piruvato deidrogenasi Ac. Piruvico Acetil-CoA citrato sintetasi Acetil-CoA Ac. ossalacetico Acido citrico CITOSOL citrato liasi Acido citrico Ac. Ossalacetico + Acetil-CoA malico deidrogenasi Ac. Ossalacetico Ac. Malico enzima malico Ac. Malico Ac. Piruvico MITOCONDRIO FORMAZIONE DEI CORPI CHETONICI Il fegato sintetizza continuamente corpi chetonici (ne è il principale produttore), che riversati in circolo sono ulteriormente degradati e utilizzati dai vari tessuti come substrati energetici alternativi al glucoso Muscolo, rene, cuore, cervello, testicoli hanno sistemi enzimatici in grado di utilizzare i corpi chetonici per il loro metabolismo energetico. METABOLISMO PROTEICO Il fegato è il principale organo demolitore di aminoacidi Ad eccezione della lisina e treonina tutti gli aa vengono trans-aminati: trasferimento di un gruppo aminico ad un chetoacido I gruppi aminici degli aminoacidi entrano nel mitocondrio prevalentemente come acido glutammico L’acido a-chetoglutarico (il chetoacido corrispondente) raccoglie anche gli ioni ammonio presenti nel citoplasma svolgendo una funzione omeostatica del glutammato L’acido glutammico penetra nei mitocondri cede l’NH2 all’ossalacetato con formazione di aspartato (oppure essere deaminato) Il processo è catalizzato da una transaminasi mitocondriale GOT CICLO DELL’UREA Fegato Reazioni di detossificazione rimozione di sostanze endogene ed esogene processi di idrossilazione, ossidazione, riduzione, e coniugazione attenuazione tossicità, e aumentata idrosolubilità facilitata eliminazione con la bile e l’urina Idrossilazioni avvengono nel reticolo endoplasmatico liscio agente riducente: NADPH citocromo P450 MECCANISMO: P450 riduce O2 substrato idrossilato H20 SISTEMA ENZIMATICO IDROSSILAZIONE il substrato idrossilato può essere: - eliminato come tale - coniugato con acido glutammico o con SO4= - sostituzione dell’ossidrile con glutatione composti idrossilati - alifatici - aromatici -contenenti zolfo ESEMPI -barbiturici -anfetamine -eroina ormoni steroidei OSSIDAZIONI ossidoreduttasi pirimidiniche localizzate nel citosol e mitocondri alcool deidrogenasi O CH3CH2-OH CH3C-H etanolo acetaldeide aldeide deidrogenasi O O R-C-H R-C-OH R = H, CH3 aldeide ossidasi Metallo flavo-proteina (Fe, Mo, FAD) Altri esempi di ossidazioni epatiche: benzilamina acido benzoico deaminazione di amine primarie e secondarie danno ossidativo Prodotto intermedio del sistema ossigenasi-citocromo P450 O2 + 1 e- H+ + . HO H+ 2 +O . 2 superossido Per dismutazione o per opera della superossido dismutasi O2 . + O2 . + 2H+ O2 O . + O . + 2H+ .O O .+H O . + OH + OH 2 2 2 2 2 + 2 O2 + H2O2 H2O2 radicale idrossile nei perossisomi epatici gli e- provenienti dalla b-ossidazione degli acidi grassi sono trasferiti all’O2 con formazione di H2O2, diversamente da quanto avviene nei mitocondri, dove sono trasferiti alla catena respiratoria. Eliminazione H2O2 - CATALASI 2H2O2 2H2O + O2 - GLUTATIONE PEROSSIDASI 2 GSH +H2O2 2 GSH +ROOH GS-SG +2H2O GS-SG + ROH +2H2O Riduzioni - gruppi NO2 NH2 - nitrobenzene para-aminofenolo ENZIMI EPATICI AD ATTIVITA’ RIDUTTASICA NADPH-citocromo P450 Aldeide reduttasi (NADPH dipendenti) Chetone reduttasi (NADPH dipendenti) O R-C-X R-C-OH X = H, CH3 Coniugazioni acidi aromatici con glicina es:benzoico, salicilico il gruppo NH2 della glicina reagisce con il COOH formando amidi fenoli con H2SO4 (solfatazione) es:ormoni steroidei con CH3 (metilazione) (S-adenilmetionina) es: acido nicotinico, adrenalina, noradrenalina con acido glucuronico (glucuronazione) amine con acetili (acetilazione) (acetilCoA) alcooli, acidi carbossilici con acido glucuronico (glucuronazione) es:ormoni steroidei METABOLISMO CH3CH2OH 80% dell’etanolo è metabolizzato dal fegato (2mmoli/g tessuto/min) eliminato con le urine e l’aria espirata 3 enzimi citoplasmatici presenti nell’epatocita catalizzano l’ossidazione ad acetaldeide: -ALCOOL DEIDROGENASI -CATALASI -ALCOOL IDROSSILASI ALCOOL DEIDROGENASI quantitativamente è l’enzima principale dimero (10 diversi isoenzimi) p.m. = 85 000 CH3CH2OH + NAD+ NADH + H+ + CH3CHO essendo termodinamicamente sfavorita l’ossidazione dell’etanolo è facilitata da: - basse concentrazioni citopalsmatiche di NADH + H+ - una rapida rimozione di acetaldeide CATALASI Interviene quando [CH3CH2OH] > 20 mM CH3CH2OH + H2O2 CH3CHO + 2H2O svolge la duplice funzione di ossidazione dell’etanolo e riduzione del perossido l’acetaldeide formatasi può rigenerare H2O2 tramite l’azione dell’aldeide deidrogenasi CH3CHO + H2O + O2 CH3COOH + H2O2 ALCOOL IDROSSILASI Km > alcool deidrogenasi CH3CH2OH + NADPH + H+ + O2 CH3CHO +NADP+ + 2H2O assunzioni moderate di etanolo alcool deidrogenasi metabolizza 100% etanolo per elevati livelli di alcolemia intervengono la catalasi e l’acool idrossilasi L’ossidazione dell’etanolo ad acetaldeide (termodinamicamente sfavorevole) è facilitata dalla rimozione del prodotto di reazione (legge d’azione di massa) La rimozione avviene per ossidazione dell’acetaldeide ad acido acetico per mezzo dell’acetaldeide deidrogenasi Il prodotto finale del metabolismo dell’etanolo è l’acetato che in parte viene utilizzato dal CoA, e in parte rilasciato nella circolazione venosa (1-2 mM), e da qui agli organi periferici dove è metabolizzato Principali alterazioni metaboliche indotte dall’etanolo • NADH/NAD+ potenziale redox citosolico epatociti più riducente • sintesi acidi grassi, trigliceridi, chetogenesi, colesterologenesi Rallentamento della carbossilazione del piruvato e della gluconeogenesi • • • lattato/piruvato diminuita escrezione acido urico (iperuricemia) [AMP] epatico velocità formazione e liberazione CO2 con riduzione del quoziente respiratorio (inibizione ciclo di Krebs, ossidazione acidi grassi)