Il ciclo
nutrizione / digiuno
Aspetti generali
La fase di assorbimento è il periodo che va dalle 2 alle 4 ore successive
all’assunzione di un pasto. Durante questo intervallo si verifica un transitorio
aumento del livello ematico del glucosio, degli amminoacidi e dei triacilgliceroli, che
si trovano principalmente nei chilomicroni sintetizzati dalle cellule della mucosa
intestinale. Il tessuto insulare pancreatico risponde a un livello elevato di glucosio e
di amminoacidi con un aumento della secrezione di insulina e una diminuzione di
quella del glucagone. L’elevato rapporto insulina/glucagone e l’immediata
disponibilità di substrati in circolo che si ha nelle prime ore dopo un pasto porta a un
aumento della sintesi dei triacilgliceroli, del glicogeno e delle proteine. Durante
questa fase, praticamente tutti i tessuti utilizzano il glucosio come fonte di energia e
la risposta metabolica dell’organismo è dominata da variazioni del metabolismo del
fegato, del tessuto adiposo, dei muscoli e dell’encefalo. Introdurremo una mappa
degli organi che individua gli spostamenti dei metaboliti tra i tessuti, permettendo di
avere una visione complessiva e utile sul piano clinico del metabolismo corporeo.
Le variazioni delle attività enzimatiche
nelle condizioni di apporto di
nutrienti
Il flusso di intermedi lungo le vie metaboliche è
controllato da quattro meccanismi che operano
ciascuno secondo una scala temporale
diversa, permettendo all’organismo di
adeguarsi ad un’ampia varietà di situazioni
fisiologiche:
1. la disponibilità di substrati
2. l’attivazione o l’inibizione allosterica di enzimi
3. le modificazioni covalenti di enzimi
4. l’induzione o la repressione della sintesi di
enzimi
In condizioni di apporto alimentare mediante tali
meccanismi regolatori dai nutrienti disponibili si
formano glicogeno, triacilgliceroli e proteine.
Le variazioni delle attività enzimatiche nelle
condizioni di apporto di nutrienti
A. Gli effetti allosterici
B. La regolazione degli enzimi mediante la modifica
covalente
C. L’induzione e repressione della sintesi degli enzimi
legenda
• intermedi del metabolismo dei carboidrati
• intermedi del metabolismo dei lipidi
Il fegato: un centro di distribuzione dei nutrienti
Il fegato occupa una posizione strategica per l’elaborazione e la
distribuzione dei nutrienti di provenienza alimentare, dal momento che il
drenaggio venoso dell’intestino e del pancreas raccoglie le sostanze
nutrienti nella vena porta epatica prima di entrare nella circolazione
generale. Il sangue che il fegato riceve dopo un pasto è quindi ricco di
nutrienti di origine alimentare e contiene un livello elevato di insulina,
secreta dal pancreas. Durante il periodo dell’assorbimento intestinale, il
fegato assume carboidrati, lipidi e la maggior parte degli amminoacidi.
Questi nutrienti sono poi metabolizzati e conservati oppure inviati verso altri
tessuti. Il fegato ha perciò il ruolo di attenuare le fluttuazioni, potenzialmente
ampie, dei nutrienti a disposizione dei tessuti periferici.
Il metabolismo dei carboidrati
Normalmente il fegato produce glucosio, piuttosto che consumarlo. Tuttavia, dopo un
pasto contenente carboidrati, il fegato trattiene circa 60 grammi di glucosio ogni 100
grammi di zucchero presenti nel sistema portale e li utilizza per tutte le sue attività. Il
metabolismo epatico del glucosio aumenta attraverso i seguenti meccanismi:
 aumento della fosfolirazione del glucosio (1), aumento della sintesi del
glicogeno (2),  aumento dell’attività della via dell’esoso monofosfato (HMP) (3),
aumento della glicolisi (4), diminuzione della gluconeogenesi
Il metabolismo dei grassi
• aumento della sintesi degli acidi grassi ( 5)
•aumento della sintesi dei triacilgliceroli (6)
Il metabolismo degli amminoacidi
aumento della degradazione degli amminoacidi (7)
aumento della sintesi proteica (8)
Il tessuto adiposo: un deposito di scorte
energetiche
La capacità del tessuto adiposo di distribuire molecole di combustibile è inferiore
soltanto a quella del fegato. In un uomo di 70 kg il tessuto adiposo pesa, in media,
14 kg, circa la metà della massa muscolare complessiva. Negli individui obesi il
tessuto adiposo può costituire fino al 70% della massa corporea. Lo spazio interno
di un adipocita può essere occupato quasi completamente da una goccia di
triacilglicerolo.
Il tessuto adiposo: un deposito di scorte
energetiche
Il metabolismo dei carboidrati:
• aumento del trasporto del glucosio (1)
•aumento della glicolisi (2)
•aumento dell’attività dell’esoso monofosfato (HMP)
(3)
Il tessuto adiposo: un deposito di scorte
energetiche
Il metabolismo dei grassi:
• aumento della sintesi degli acidi grassi (4)
•aumento della sintesi triacilgliceroli (5) (6)
• diminuzione della degradazione dei triacilgliceroli
Il muscolo scheletrico a riposo
Il metabolismo energetico del muscolo scheletrico è esclusivo per la sua
capacità di rispondere ai sostanziali cambiamenti nella richiesta di ATP che
accompagnano la contrazione muscolare. A riposo il consumo di ossigeno
è approssimativamente il 30% del consumo corporeo totale, ma può
raggiungere il 90% durante un esercizio fisico intenso. Quindi il muscolo
scheletrico, nonostante abbia la capacità potenziale di utilizzare, per un
periodo transitorio, la glicolisi anaerobica, è un tessuto ossidativo. Il
muscolo cardiaco differisce dal muscolo scheletrico per tre aspetti
importanti:
1. il cuore è in continua attività, mentre i muscoli scheletrici si contraggono in
modo intermittente, in seguito ad una sollecitazione.
2. il cuore ha un metabolismo completamente aerobico.
3. il cuore contiene riserve energetiche ( glicogeno o lipidi) in quantità
trascurabile.
Ne consegue che l’interruzione del rifornimento ematico, quale quello che si
verifica durante un infarto del miocardio, provoca rapidamente la morte
delle cellule miocardiche. Le sostanze dalle quali il muscolo cardiaco ricava
energia sono il glucosio libero, gli acidi grassi e i corpi chetonici.
Il muscolo scheletrico a riposo
Il metabolismo dei carboidrati:
1. aumento del trasporto del glucosio (1)
2. aumento della sintesi del glicogeno (2)
Il metabolismo degli acidi grassi:
Gli acidi grassi si liberano dai chilomicroni e dalle VLDL per azione della lipoproteina
lipasi. Tuttavia, nel periodo di apporto di nutrienti, gli acidi grassi sono combustibili di
importanza secondaria per il muscolo, essendo invece il glucosio la fonte primaria.
Il metabolismo degli amminoacidi:
1. aumento della sintesi proteica (3) e (4)
2. aumento dell’assunzione degli amminoacidi a catena ramificata leucina, isoleucina e
valina (3).
L’encefalo
Benché costituisca solo il 2% della massa corporea di un adulto, l’encefalo
consuma il 20% a riposo dell’ossigeno utilizzato dall’organismo. L’encefalo
consuma energia ad un ritmo costante.Poiché la sua attività è vitale per un
corretto funzionamento dell’organismo, soddisfare il suo fabbisogno energetico
diventa quindi prioritario. Per poter essere utilizzati, i substrati devono superare
le cellule endoteliali che rivestono il lume dei vasi sanguigni encefalici ( barriera
emato-encefalica). Normalmente il glucosio funge da combustibile primario, dal
momento che, nel periodo di apporto di nutrienti, la concentrazione dei corpi
chetonici è troppo bassa perché essi siano una fonte alternativa di energia. Se il
glucosio ematico crolla ad un livello inferiore a circa 30 mg/100 mL ( livello
normale 70-90 mg/100 mL), la funzionalità cerebrale è compromessa. Può
verificarsi un danno cerebrale grave e potenzialmente irreversibile anche qualora
l’ipoglicemia perduri per un breve periodo. I corpi chetonici, in quanto
combustibili, svolgono un ruolo significativo nei periodi di digiuno.
L’encefalo
Il metabolismo dei carboidrati (1)
Il metabolismo dei grassi
Relazioni tra tessuti durante il periodo di assorbimento
Il digiuno: uno sguardo d’insieme
Il digiuno può dipendere dall’impossibilità di reperire del cibo, dal desiderio di
perdere peso rapidamente o da una situazione clinica che comporti
l’impossibilità ad alimentarsi in seguito ad un trauma, ad un intervento
chirurgico, a una neoplasia, a ustioni etc… In mancanza di cibo, i livelli
plasmatici di glucosio, degli amminoacidi e dei triacilgliceroli tendono a
diminuire; contemporaneamente la secrezione dell’insulina decresce mentre
aumenta la liberazione del glucagone. La diminuzione del rapporto tra il
livello dell’insulina e il livello del glucagone e la ridotta disponibilità di substrati
circolanti rendono il periodo di privazioni di nutrienti un periodo catabolico,
caratterizzato dalla degradazione di triacilgliceroli, glicogeno e proteine. Ciò
mette in moto uno scambio di substrati tra il fegato, il tessuto adiposo, il
tessuto muscolare e l’encefalo, sotto la spinta di due priorità:
1. l’esigenza di mantenere un livello plasmatico del glucosio tale da sostenere il
metabolismo energetico dell’encefalo e di altri tessuti che utilizzano questo
zucchero
2. la necessità di mobilizzare acidi grassi dal tessuto adiposo e di attivare la
sintesi e la liberazione dei corpi chetonici da parte del fegato, per rifornire di
energia gli altri tessuti.
Le scorte energetiche
I combustibili metabolici presenti in un uomo di 70 kg all’esordio di un digiuno
I cambiamenti enzimatici nel digiuno
Anche nel digiuno il flusso di
intermedi lungo le vie del metabolismo
intermedio è controllato da quattro
meccanismi:
1.la disponibilità dei substrati
2.l’attivazione o l’inibizione allosterica
di enzimi
3.la modificazione covalente di enzimi
4.l’induzione o la repressione della
sintesi di enzimi
Enzimi: stato fosforilato (inattivi)
Eccezioni: glicogeno fosforilasi,
fruttosio bisfosfato fosfatasi-2 e lipasi
sensibile agli ormoni del tessuto
adiposo, sono inattive nello stato
defosforilato
Molte delle modificazioni osservate nel
digiuno sono l’opposto di quelle che si
verificano in condizione di apporto di
nutrienti.
Il fegato durante il digiuno
Il ruolo primario del fegato nel metabolismo
energetico durante il digiuno è la sintesi e la
distribuzione di molecole di combustibile ad
altri organi si parla quindi di “metabolismo
epatico” e di “metabolismo extraepatico o
periferico”.
Il metabolismo dei carboidrati.
Le fonti di glucosio ematico dopo
l’assunzione di 100g di zucchero.
Il metabolismo dei carboidrati
• Aumento della demolizione del glicogeno (1)
• Aumento della gluconeogenesi (2)
Il metabolismo dei grassi
• Aumento dell’ossidazione degli acidi grassi (3)
• Aumento della sintesi dei corpi chetonici (4) (principalmente 3-idrossibutirrato)
Aumento della sintesi dei corpi chetonici
Il fegato ha la capacità esclusiva di sintetizzare e
liberare i corpi chetonici, principalmente il 3idrossibutirrato, che i tessuti periferici possono
usare come combustibile. Il fegato non può
utilizzare i corpi chetonici come combustibile. La
sintesi dei corpi chetonici è favorita quando la
concentrazione dell’acetil CoA prodotto dal
metabolismo degli acidi grassi eccede la capacità
ossidativa del ciclo dei TCA. Una sintesi
significativa di corpi chetonici ha inizio durante i
primi giorni di digiuno. Contrariamente agli acidi
grassi, i corpi chetonici sono idrosolubili e
compaiono nel sangue e nell’urina a partire dal
secondo giorno di digiuno. Nel digiuno la
disponibilità di corpi chetonici in circolo è
importante, perché la maggioranza dei tessuti
può utilizzarli come combustibile, compreso
l’encefalo, una volta che il loro livello ematico
abbia raggiunto un valore sufficientemente
elevato. Ciò riduce il bisogno di sintetizzare
glucosio attraverso la gluconeogenesi a partire
dagli scheletri carboniosi di amminoacidi,
rallentando quindi la perdita di proteine
essenziali.
La concentrazione ematica degli acidi grassi e
del 3-idrossibutirrato durante il digiuno
Il tessuto adiposo durante il digiuno
Il metabolismo dei carboidrati: il trasporto del
glucosio dentro gli adipociti e il suo successivo
metabolismo sono depressi a causa del basso
livello di insulina in circolo. Ne consegue una
diminuita sintesi di acidi grassi e triacilgliceroli.
Il metabolismo dei grassi
Aumento della degradazione dei triacilgliceroli:
l’aumento dell’adrenalina e della noradrenalina,
liberate dalle terminazioni simpatiche, stimola
l’attività della lipasi sensibile agli ormoni con
conseguente idrolisi dei triacilgliceroli depositati
nell’adipocita (1)
Aumento della liberazione degli acidi grassi:
gli acidi grassi liberi prodotti dall’idrolisi dei
triacilgliceroli di deposito sono rilasciati nel sangue
e legati all’albumina raggiungono una molteplicità di tessuti e sono utilizzati per produrre
energia. Il glicerolo è utilizzato dal fegato come precursore gluconeogenetico. Gli acidi
grassi sono convertiti in acetil-CoA, che entra poi nel ciclo dei TCA liberando energia.
Diminuzione dell’assunzione degli acidi grassi: nel digiuno l’attività della lipoproteina
lipasi è bassa per cui i triacilgliceroli circolanti sotto forma di lipoproteine non sono
disponibili per la sintesi dei triacilgliceroli nel tessuto adiposo.
Il muscolo scheletrico a riposo durante il digiuno
Nel digiuno, il muscolo a riposo utilizza gli acidi grassi come fonte principale di energia. Al contrario
il muscolo in esercizio inizialmente utilizza come fonte di combustibile le proprie scorte di glicogeno
durante uno sforzo intenso, il glucosio 6-fosfato derivante dal glicogeno è convertito in lattato con la
glicolisi anaerobica. Quando le scorte di glicogeno si esauriscono, gli acidi grassi liberi derivanti
dalla mobilizzazione dei triacilgliceroli del tessuto adiposo diventano la fonte dominante di energia.
Metabolismo dei carboidrati: il trasporto del glucosio all’interno delle fibre del muscolo scheletrico
e il conseguente metabolismo sono depressi a causa del basso livello di insulina in circolo.
Metabolismo dei lipidi: durante le prime due settimane di digiuno, il muscolo utilizza come
combustibili gli acidi grassi derivanti dal tessuto adiposo e i corpi chetonici prodotti dal fegato (1 e
2). Dopo circa tre settimane di digiuno, l’utilizzo dei corpi
chetonici diminuisce e il muscolo usa quasi esclusivamente
gli acidi grassi, con ulteriore aumento dei corpi chetonici in
circolo e loro maggior utilizzo da parte dell’encefalo.
Metabolismo delle proteine: durante i primi giorni di digiuno
si verifica una rapida demolizione delle proteine muscolari
che forniscono al fegato amminoacidi (principalmente alanina
e glutammina) per la gluconeogenesi (3). Dopo varie
settimane di digiuno la proteolisi muscolare diminuisce
perché l’encefalo ha un minore bisogno di glucosio perché
utilizza, come fonte di energia, i corpi chetonici.
L’encefalo nel digiuno
Durante i primi giorni di digiuno, l’encefalo continua ad utilizzare come fonte di energia
esclusivamente il glucosio (1). La gluconeogenesi epatica riesce a mantenere il livello
ematico del glucosio utilizzando precursori glucogenici quali gli amminoacidi forniti dalla
rapida demolizione della proteine muscolari. Nel digiuno protratto (2-3 settimane) i corpi
chetonici raggiungono livelli significativamente elevati e l’encefalo li utilizza come
combustibili in aggiunta al glucosio (2). Ciò riduce la richiesta del catabolismo proteico
per alimentare la gluconeogenesi. I cambiamenti
metabolici che si verificano durante il digiuno
garantiscono a tutti i tessuti un apporto adeguato
di molecole combustibili.
Relazioni metaboliche tra i
tessuti durante il digiuno