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METABOLISMO DEI CARBOIDRATI

INTRODUZIONE
Gli zuccheri, o carboidrati, sono delle sostanze presenti in tutte le cellule, nel sangue, e nei liquidi, perchè hanno una grande importanza: dalla loro rottura l’organismo attinge la maggior parte della energia necessaria per le sue funzioni. La quantità di zucchero presente nel sangue, pronta per essere utilizzata, è mantenuta costante ed è chiamata glicemia. Gli zuccheri sono presenti in singole unità, i monosaccaridi, quali il glucosio ed il fruttosio, immediatamente utilizzabili per produrre energia. Oppure, possono essere composti da due unità legate insieme, i disaccaridi, come il saccarosio, lo "zucchero", composto da glucosio e fruttosio. Questi zuccheri sono immediatamente trasformati in energia dai processi dell’organismo. I carboidrati più complessi, i polisaccaridi, composti di un numero maggiore di unità sono invece trasformati in grassi ed immagazzinati come riserva energetica. Il polisaccaride più importante nella nostra alimentazione è l’amido, che si trova soprattutto in alimenti d’origine vegetale, come la pasta, il pane, il riso, i legumi, le patate, le banane e le castagne, ed il glicogeno, contenuto nella carne e nel fegato. In cibi come il latte, il miele o l’uva troviamo invece gli zuccheri più semplici: il glucosio, il fruttosio e il galattosio.)

Il metabolismo dei carboidrati (CHO) ha sempre rappresentato il punto di partenza per poter successivamente analizzare tutti i meccanismi biochimici che riguardano la produzione di energia chimica all’interno delle cellule. Infatti le cellule del nostro organismo utilizzano come fonte energetica la stessa molecola: l’ATP. La cellula stessa è estremamente gelosa della concentrazione di ATP che anche a seguito di uno sforzo estremo non scenderà mai sotto il 60-80% del suo valore a riposo; saranno i meccanismi della fatica ad inibire la contrazione muscolare e quindi la richiesta di energia per preservare appunto l’ATP. Anche se oggi si è in grado di analizzare in maniera apparentemente soddisfacente questi tipi di reazioni c’è comunque da considerare che le nostre conoscenze a riguardo dei meccanismi biochimici sono imprecise e incomplete.

ATP
E’ la molecola in grado di fornire energia (chimica) alle nostre cellule per la sopravvivenza e qualsiasi altro tipo di attività; la sua concentrazione nella cellula muscolare è di 25 mM/Kg dm (millimoli su chilogrammo di massa asciutta). La sigla significa adenosina-tri-fosfato; nella molecola sono presenti 3 gruppi fosforici (aventi carica negativa) legati tra loro da legami forti; proprio perché hanno lo stesso tipo di carica tendono a respingersi, ma il loro legame lo impedisce; questo comporta un accumulo di energia potenziale. Alcuni enzimi e alcune proteine, se attivate, sono in grado creare le condizioni che permettono di staccare un gruppo fosforico liberando così l’energia potenziale insita in quel legame; questa energia sarà così utilizzata dalla cellula per le sue funzioni. Ciò che si otterrà da questa rottura è ADP + P (adenosina-di-fosfato + fosfato) + energia. Esisteranno poi reazioni enzimatiche in grado di ottenere l’effetto opposto cioè ATP da ADP + P utilizzando l’energia fornita dall’ossidazione delle sostanze nutritive tra i quali i CHO.

TIPI DI CARBOIDRATI
Si dividono in monosaccaridi e polisaccaridi; tralasciando le varie forme esistenti in natura e limitandoci a quelle cellulari possiamo sintetizzare dicendo che la forma maggiormente presente è il glicogeno; è formato da tante molecole di glucosio legate tra loro che a seguito di alcune reazioni enzimatiche possono trasformarsi in glucosio1-fosfato libero ed entrare nella glicolisi. Le concentrazioni di glucosio cellulare invece sono molto basse.

VIE METABOLICHE
La sintesi di glicogeno avviene grazie ad una via metabolica (insieme di reazioni enzimatiche) detta glicogeno-sintesi partendo da molecole di glucosio che provengono dal sangue introdotte precedentemente con l’alimentazione. Ciò che attiva questa via enzimatica è la presenza sulla membrana cellulare di legami insulina/recettori GLUT4 e l’abbassamento della concentrazione di alcuni ormoni del sangue (adrenalina e glucagone) e di alcuni metaboliti della produzione di energia (ADP, AMP, Pi ecc.); in poche parole quando il muscolo è a riposo e se è presente glucosio nel sangue oltre una certa soglia (ad esempio dopo un pasto) questa catena metabolica è particolarmente attivata. Sperimentalmente è stato rilevato come sia molto più stimolante per la risintesi uno svuotamento di scorte di glicogeno accompagnate da una dieta ricca di CHO rispetto alla sola dieta ricca di CHO.
Note ed applicazioni: il così detto carico di carboidrati si basa sul fatto che abbinando una dieta con pochi carboidrati (ma normocalorica) ad allenamenti sufficientemente impegnativi si riesce in 3-4 giorni a svuotare completamente le riserve di glicogeno; ciò creerà un presupposto favorevole per accumulare glicogeno in maniera superiore alla norma se nei 3 giorni successivi si seguirà una dieta iperglicidica e allenamenti poco impegnativi. Questo permetterà all’atleta in teoria di poter percorrere più chilometri alla velocità di gara (maratona). In pratica comunque oggi per una maratona si limita al solo mercoledì alla dieta ipoglucidica (povera di carboidrati) e i 3 giorni successivi quella iperglucidica con allenamenti leggeri; i risultati praticamente son gli stessi e si causano meno disagi metabolici e psicologici.
La degradazione di glicogeno a glucosio1-P avviene invece nelle condizioni opposte come uno sforzo muscolare; è comunque da ricordare che il glucosio1-P non può uscire dalla cellula. La via metabolica prende il nome di glicogeno-fosforilasi ed è attivata dai cataboliti della fatica (ADP, AMP, Pi ecc.) e da alcuni ormoni (adrenalina, noradrenalina) mediante messaggeri cellulari. In poche parole durante uno sforzo fisico sarà reso glucosio1-P per risintetizzare ATP, mentre a riposo (e soprattutto dopo l’ingestione di carboidrati) verrà sintetizzato glicogeno.

GLICOLISI: via metabolica composta da 10 unità enzimatiche che trasforma una molecola di glucosio1-P in 2 molecole di piruvato ricaricando 3 molecole di ATP e riducendo 2 NAD+ a 2 NADH. Sintetizzando: glucosio1-P + 3 ADP + 3 Pi + 2 NAD+ -> 2 piruvato + 3 ATP + 2 NADH + 2 H+. Essa è principalmente attivata dai metaboliti della fatica come ADP, AMP, creatina ecc; questi sono tutti composti che stanno indicare come si stia esaurendo il sistema dei fosfageni (ATP e fosfocreatina) per la risintesi di ATP e la cellula quindi richiede l’aiuto delle glicolisi. E’ invece inibita da alte concentrazioni di ATP e di substrati della via ossidativa (succinato ecc.); questo perché se le concentrazioni di ATP sono elevate non viene richiesta ulteriore sintesi.
Le concentrazioni di piruvato nella cellula sono molto basse, perché probabilmente è relativamente tossica; questo infatti una volta sintetizzato può entrare nella via aerobica o interagire con una serie di enzimi nominati LDH (lattico deidrognasi).
Note ed applicazioni:
- La quantità di glucosio libero nella cellula è irrisoria, ne deriva che la maggior parte del glucosio che entra nella glicolisi deriva da glicogeno e sottoforma di glucosio1-P; ciò non significa che il glucosio non entri nella cellula, ma che questo viene immediatamente accumulato sottoforma di glicogeno. Quindi quando si parla di sistemi energetici per fornire ATP sarebbe più corretto parlare di glicogenolisi/glicolisi invece che solo di glicolisi.
- Quando si parla comunque di glicogenolisi/glicolisi è sottinteso comprendere nella reazione anche la situazione di accumulo di lattato che vedremo successivamente.
- La velocità con la quale viene risintetizzato ATP grazie alla glicogenolisi/glicolisi è di 11.1 mM/Kg dm (millimoli su Kg di massa asciutta); essa raggiunge la sua massima velocità dai 5 ai 20 secondi dopo l’inizio dello sforzo.

Se la produzione di piruvato è bassa o se la via aerobica è ad alto regime (esempio durante una maratona) il piruvato entrerà nella via aerobica, mentre se la produzione di piruvato è eccessiva (400m nell’atletica ad esempio) a causa di contrazioni muscolari violente esso interagirà con LDH e si trasformerà in lattato formando la GLICOLISI ANAEROBICA: piruvato + H+ + NADH -> lattato + 2 NAH+. Accumulando lattato si diminuisce anche la concentrazione degli H+ che solitamente determinano acidità muscolare e quindi in piccola parte la comparsa della fatica; vengono anche formati dei NAD+, molecole necessarie per il funzionamento della glicolisi. Il lattato inoltre è in grado di uscire dalla cellula finendo nei liquidi interstiziali o nel sangue. Queste condizioni di accumulo di lattato quindi sono presenti all’inizio di un’attività (nei primi minuti) o a regime quando la richiesta energetica della cellula è superiore all’energia fornita (tramite risintesi di ATP) dalla via aerobica. Per via anaerobica (senza ossigeno) si possono quindi ricaricare 3 ATP tutti dalla glicolisi.

VIA AEROBICA: le reazioni citate fino ad ora si svolgono nel citoplasma della cellula, mentre la via aerobica nei mitocondri. Il piruvato interagisce con un complesso enzimatico (complesso della piruvato deidrogenasi) situato sulla membrana mitocondriale interna; piruvato + NAD+ + Coa -> Acetil Coa + NADH + H+ + CO2. In poche parole il piruvato diventa Acetil Coa “impoverendosi” di ioni idrogeno (H) e di un gruppo carbossilico sottoforma di CO2; il NAD+ viene ridotto a NADH, molecola che vedremo poi in seguito. Una volta nel mitocondrio l’Acetil Coa entra nel ciclo di Krebs (un complesso di 8 enzimi) e viene completamente ossidato. Acetil Coa + (3 NAD+ + 1 FAD + ADP + P) -> 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2.
A questo punto giocano un ruolo importante le molecole di NADH e FADH2 prodotte che entrano nella catena di trasporto degli elettroni: tra glicolisi e via aerobica vengono prodotti, per ogni molecola di glucosio1-P 10 molecole di NADH (2 nella glicolisi, 2 nel complesso della piruvato deidrogenasi e 6 nel ciclo di Krebs) e 2 di FADH2 (ciclo di Krebs). Interagendo con i citocromi (enzimi) presenti sulle creste mitocondriali cedono elettroni e protoni ritornando rispettivamente NAD+ e FAD; gli elettroni liberati nella catena di trasporto di elettroni permettono tramite il loro flusso elettrico di incanalare i protoni (H+) nello spazio intermembrana tra le 2 membrane dei mitocondri. Questi protoni (cariche positive) tenderanno a respingersi (cariche dello stesso segno si respingono) ma non potendo attraversare la membrana rimangono imprigionati; l’unica “via di fuga” è un complesso enzimatico detto ATP-sintasi che facendo uscire i protoni sfrutta la loro energia sintetizzando ATP da ADP + P (fosforilazione ossidativa). Recenti studi hanno dimostrato che da una molecola di NADH si ottengono 2.5-3 ATP e da una di FADH2 1.5-2 ATP. In tutto quindi (sommano i 3 ATP della glicolisi e i 2 del ciclo di Krebs) da ogni molecola di glucosio1-P si ricaricheranno tramite la via aerobica 32-39 molecole di ATP. Gli elettroni della catena di trasporto di elettroni e i protoni della fosforilazione ossidativa andranno poi a legarsi all’ossigeno formando: 4 elettroni + 4 H+ + O2 -> 2 H2O (acqua); ecco dove va a finire l’ossigeno che inspiriamo. Riassumendo quindi nella via aerobica + glicolisi: glucosio1-P + 32 ADP + 32 P -> 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP.
Note ed applicazioni:
- La tappa limitante alla massima potenza aerobica è l’ingresso del piruvato nel mitocondrio che corrisponde al funzionamento dell’enzima complesso della piruvato deidrogenasi.
- La velocità con la quale la via aerobica è in grado di risintetizzare ATP è di 2.3/2.8 mM/Kg dm contro gli 11.1 della glicolisi; questo si può dedurre dal fatto che la glicolisi sono 10 reazioni enzimatiche, mentre la via aerobica comprende meccanismi enzimatici e non, molto più complessi; ovviamente il massimo rendimento della glicolisi si può mantenere per poche decine di secondi, mentre il metabolismo aerobico teoricamente all’infinito ( il limite è dato dalle riserve di glicogeno).

DESTINO DEL LATTATO
Una volta trovato in situazione di accumulo il lattato ad opera della LDH può uscire liberamente dalla cellula negli interstizi (spazi tra le cellule), una volta lì può andare in altre cellule muscolari (fibre muscolari) attigue che non si trovano in situazioni di accumulo (nelle fibre veloci il lattato di accumula molto più velocemente che nelle lente) o andare nel sangue; da qui si può capire come il lattato misurato nel sangue è solo una parte di quello prodotto nella cellula. Quello nel sangue può successivamente finire in fibre in cui non c’è accumulo di lattato (muscoli meno impegnati nell’esercizio) nel cuore (come substrato energetico) o nel fegato (neoglucogenesi). Per essere smaltito all’interno delle cellule da cui è captato il lattato viene riconvertito in piruvato sempre dall’LDH (enzima reversibile, cioè che catalizza la reazione in entrambe i sensi) per poi interagire con il complesso della piruvato deidrogenasi e finire nel ciclo di Krebs. L’emivita (tempo in cui si dimezza la sua concentrazione) del lattato nel sangue è di circa 15’, per cui è assurdo sostenere che sia esso la causa del dolore muscolare post esercizio a lungo termine!
Note ed applicazioni: i motivi per cui il lattato si accumula sembra siano:
1) Limite di “assorbimento” del piruvato da parte del sistema aerobico a causa principalmente della complesso della piruvato deidrogenasi (fattore limitante la massima potenza aerobica) e maggiore affinità del piruvato con l’LDH.
2) Necessità di legarsi a trasportatori di membrana per uscire dalla cellula da parte del lattato; quindi la fuoriuscita del lattato sarà anche limitata dal numero di trasportatori.

GLUCONEOGENESI
Esistono alcuni organi come il sistema nervoso centrale, i globuli rossi e i reni che utilizzano esclusivamente glucosio a scopo energetico; non possono utilizzare altri substrati come amminoacidi e acidi grassi. Questa via metabolica (gluconeogenesi) presente esclusivamente nel fegato è in grado di produrre glucosio partendo da altri substrati (amminoacidi, glicerolo, lattato e piruvato). Molti amminoacidi possono essere trasformati in piruvato, altri in intermedi del ciclo di Krebs che poi possono essere trasformati in piruvato; il punto di partenza della gluconeogenesi è infatti il piruvato. Da 2 molecole di piruvato quindi con una spesa energetica di 6 molecole di ATP e 2 di NADH si potrà ottenere una molecola di glucosio: 2 piruvato + 6 ATP + 2 NADH + 4 H2O -> glucosio + 6 ADP + 6 P + 2 NAD+. E’ una via metabolica “costosa”, ma la necessità di ottenere glucosio in alcuni casi è prioritaria, altrimenti si andrebbe incontro alla degradazione degli organi citati prima. Come detto prima questa è una via metabolica presente esclusivamente nel fegato; questo organo è deputato al mantenimento della glicemia nel sangue proprio per garantire una presenza costante di glucosio per gli organi prima citati oltre che per gli altri. Nelle sue cellule il fegato contiene anche glicogeno (100g circa in condizioni normali) il quale fornisce glucosio per il sangue; quando questo comincia a scarseggiare viene esaltata l’attività della gluconeogenesi sempre per mantenere costante la glicemia. Il glicogeno contenuto nel fegato deriva ovviamente dagli zuccheri introdotti con la dieta. Quindi quando c’è molto glicogeno nel fegato (dopo un pasto) il glucosio rilasciato dal fegato arriva principalmente dal glicogeno epatico (tramite glicogenolisi) mentre quando questo scarseggia (4-5 ore dopo un pasto) il glucosio rilasciato viene dalla gluconeogenesi. E’ oltretutto da ricordare che questa via metabolica è estremamente efficace, in quanto anche dopo molti giorni in cui non si ingeriscono carboidrati, la glicemia rimane a livelli normali.
Note ed applicazioni:
- Negli sforzi inferiore all’ora, la glicemia in media sale su valori superiori di quelli a riposo (> 0.9 g/l); dopo una maratona invece questa ha valori inferiori rispetto alla norma (<0.9 g/l); questo evidentemente perché il glucosio rilasciato dal fegato nel sangue durante uno sforzo fisico è maggiore a quello che entra nelle cellule; a lungo andare però evidentemente a causa dell’esaurimento del glicogeno epatico il glucosio è rilasciato in quantità inferiori fino a causare cali della glicemia; è da notare anche che con il passare del tempo nella quantità di glucosio rilasciata dal fegato assume sempre più importanza quello formato con la gluconeogenesi.
- La velocità con la quale viene rilasciato il glucosio dal fegato è direttamente proporzionale all’intensità dell’esercizio (per lo meno inizialmente) e al massimo può essere di 1.1 g/l/min. (grammo su litro al minuto); se la via aerobica teoricamente funzionasse esclusivamente con il glucosio rilasciato da fegato riuscirebbe a risintetizzare l’ATP a circa 1 mM/Kg dm ad una velocità quindi nettamente inferiore alla metà del massimo funzionamento del regime aerobico.