Corpi Chetonici e Chetogenesi

I corpi chetonici sono acidi carbossilici presenti nel sangue con concentrazioni inferiori a 1 mg/100 ml.
La loro concentrazione aumenta in seguito di un digiuno prolungato fino a 20 mg/100 ml (dipende dalla durata del digiuno) e in seguito a diabete fino a 70 mg/100 ml. L’aumento della concentrazione di questi acidi tende ad esaurire il potere tampone del sangue, rappresentato dai sistemi tampone bicarbonato, fosfato e proteine organiche, può portare ad acidosi e poi al coma. I corpi chetonici rappresentano del materiale energetico prontamente disponibile, sono più disponibili degli acidi grassi, possono essere assorbiti un po’ da tutti i tessuti, anche dal sistema nervoso centrale, che così, in caso di digiuno, riduce le richieste di zuccheri di un 40 %.

Questi corpi chetonici si formano nei mitocondri del fegato in condizioni di digiuno più o meno prolungato, ma esso non è in grado di utilizzarli, quindi li riversa nel sangue, dove verranno assorbiti dagli altri tessuti che li ossidano completamente a CO2 e H2O. I corpi chetonici sono 3: acetacetato, b-idrossibutirrato e acetone, si formano a partire da molecole di acetil-CoA, che si condensano fra loro.

CH3-CO-CH3

Acetone

CHETOGENESI:

  1. La prima reazione avviene nel citosol ed è catalizzata dall’enzima tiolasi, che permette la condensazione di 2 molecole di acetil-CoA formando l’acetoacetil-CoA. Questa reazione è reversibile.

Acetil-CoA                             Acetoacetil-CoA

                2 CH3-CO-S-CoA      →    CH3-CO-CH2-CO-S-CoA   +   CoASH

  1. L’acetoacetil-CoA si condensa con una terza molecola di CoA grazie all’enzima b-idrossi-b-metilglutaril-CoA sintasi (HMG-CoA sintasi) si forma il b-idrossi-b-metilglutaril-CoA o HMG-CoA a 6 atomi di carbonio

idrossi-b-metilglutaril-CoA, HMG-CoA a 6 atomi di carbonio


L’enzima HMG-CoA liasi stacca un acetil-CoA dal b-idrossi-b-metilglutaril-CoA formando il primo dei composti chetonici, l’acido acetaceticoQueste prime 2 reazioni sono comuni con la sintesi del colesterolo, che avviene nel citoplasma.

La chetogenesi invece prosegue nel mitocondrio:sono comuni con la sin.tesi del colesterolo, che avviene nel citoplasma.

  1. L’acetacetato viene ridotto in b-idrossibutirrato grazie alla b-idrossibutirrico-deidrogenasi e al NADH(H+) che viene ossidato e, in seguito a decarbossilazione spontanea, in acetone, che, essendo un gas, viene immesso nel circolo sanguigno e liberato a livello dei polmoni con la respirazione.

La b-ossidazione ha bisogno di una certa quantità di CoA mitocondriale perché:

  • gli acidi grassi entrano all’interno del mitocondrio utilizzando CoA mitocondriale
  • ogni acetile richiede un CoA per essere allontanato dall’acido grasso diventando acetil-CoA.

Quando la b-ossidazione è attiva, cioè in fase di digiuno, il ciclo di Krebs risulta rallentato (anche perché si crea una grande quantità di potere riducente, NADH + H+ e FADH2, che andando verso la catena respiratoria fornisce energia sottoforma di ATP) e viene attivata nel fegato la gluconeogenesi, che parte dal piruvato e dall’ossalacetato, quindi si ha una gran quantità di acetil-CoA. Queste molecole disponibili di acetil-CoA possono reagire insieme nella chetogenesi liberando CoA, disponibile per la b-ossidazione e si formano i corpi chetonici che abbandonano il fegato.

ATTIVAZIONE DEI CORPI CHETONICI
I corpi chetonici per essere utilizzati devono essere attivati tramite l’introduzione di un CoA ad opera dell’enzima b-chetoacil-CoA transferasi o acetoacetil-CoA sintetasi, che trasferisce il CoA dal succinil-CoA all’acetacetato, attivandolo. Così l’acido acetacetico diventa acetoacetil-CoA attivato e il succinil-CoA diventa succinato, che prosegue nel ciclo di Krebs. Poi dall’acetoacetil-CoA si formano grazie alla tiolasi 2 acetil-CoA che possono entrare nel ciclo di Krebs dei tessuti extraepatici. Il fegato non può utilizzare i corpi chetonici perché non possiede l’enzima della prima reazione (b-chetoacil-CoA transferasi o acetoacetil-CoA sintetasi).

In condizioni di digiuno la concentrazione dei corpi chetonici e degli acidi grassi aumenta. Gli acidi grassi aumentano perché aumenta il glucagone, che agisce sulla trigliceride lipasi, la quale promuove la demolizione dei trigliceridi in glicerolo e acidi grassi, che vengono riversati nel sangue e vengono assorbiti dai tessuti (il sistema nervoso centrale non li assorbe perché essi non passano per la barriera emato-encefalica). Così avviene la b-ossidazione e la gluconeogenesi nel fegato. Gli acetil-CoA non entrano più nel ciclo di Krebs, che è rallentato dalla presenza di equivalenti riducenti e dalla mancanza di ossalacetato, ma si condensano tra loro dando corpi chetonici, che vanno nel sangue, una piccola parte di essi è persa nelle urine e attraverso i polmoni viene perso l’acetone. Gli altri corpi chetonici vengono assorbiti dai tessuti extraepatici, che li possono utilizzare per la presenza della chetoacil-CoA transferasi, la quale attiva l’acetacetato, poi scisso in acetil-CoA, che entra nel ciclo di Krebs.
Quindi i corpi chetonici servono in caso di digiuno come energia prontamente disponibile soprattutto per il sistema nervoso centrale e i tessuti senza mitocondri, che non possono utilizzare gli acidi grassi, e per liberare CoA, utilizzato dalla b-ossidazione. Il rapporto acetacetato/b-idrossibutirrato è determinato dal rapporto NAD+ / NADH + (H)+, quindi se nel fegato prevale NADH, per un’attiva b-ossidazione, viene liberato molto b-idrossibutirrato. Questo acido quando arriva nel muscolo, dove il rapporto è invece inverso, viene trasformato in acetacetato, il quale per azione della transferasi diventa acetoacetil-CoA, scisso poi in 2 molecole di acetil-CoA, che entrano nel ciclo di Krebs fornendo così energia. L’acetil-CoA sovrabbondante proveniente dagli zuccheri non viene utilizzato per la sintesi dei corpi chetonici.

Possono esistere due diverse condizioni in cui c’è sovrabbondanza di acetil-CoA:

  1. In condizioni di buona alimentazione, quando i numerosi zuccheri introdotti con la dieta sono incamerati sottoforma di glicogeno e l’eccesso viene trasformato in acidi grassi. Gli zuccheri entrano nella glicolisi → si forma piruvato che entra nel mitocondrio, dove viene ulteriormente ossidato dalla piruvato deidrogenasi, e questa fornisce acetil-CoA, causandone l’eccessiva abbondanza
  2. In condizioni di digiuno esauriamo le riserve di zuccheri di conseguenza si attiva la secrezione degli ormoni del digiuno (glucagone e catecolammine), presenti ad alte concentrazioni a livello circolatorio, questi ormoni devono mantenere le riserve energetiche dell’organismo, fornire materiale che dia energia e contemporaneamente mantenere costanti livelli di glicemia del sangue, poiché le cellule prive di mitocondri possono usare solamente glucosio per ottenere energia. Questi tessuti usano solo glucosio perché l’unico processo ossidativo, senza consumo di O2, possibile è la glicolisi anaerobia o fermentazione lattica, che consente di riossidare il NAD e FAD ridotti. Dunque in condizione di digiuno con la mobilitazione una gran quantità di acidi grassi attraverso la b-ossidazione forniscono acetil-CoA che si accumula

Quando abbiamo accumulo di acetil-coA l’organismo può andare in due direzioni diverse o si forma una grande abbondanza di corpi chetonici, oppure si forma il citrato

A determinare la scelta è la disponibilità di ossalacetato :

Se ce n’è in quantità sufficiente, questo si condensa con l’acetil-CoA e si forma il citrato. Se invece siamo in condizione di digiuno l’ossalacetato non è più disponibile, poiché avviato alla gluconeogenesi, e quindi l’acetil-CoA può solo condensarsi con se stesso e dare corpi chetonici. Le molecole di acetil-CoA devono condensarsi per poter uscire dai mitocondri, inoltre se mancasse il flusso d’uscita si verificherebbe una diminuzione di CoA disponibile (bloccando la b-ossidazione) e la pressione osmotica all’interno dei mitocondri aumenterebbe troppo.

Nel fegato si forma acetoacetato, b-idrossibutirrato e acetacetone che vengono mandati in circolo e possono essere materiale utile per l’organismo, che in questo modo risparmia glucosio. L’accumulo di corpi chetonici si ha nel caso si abbia un digiuno prolungato, in basse quantità queste molecole sono utili fornitori di energia, ma in caso di un accumulo oltre una soglia massima causano una patologia, la chetonuria, ed esasperando l’accumulo si ha la morte del soggetto.

In condizioni di buona alimentazione, introducendo zuccheri e lipidi, l’ossalacetato sarà disponibile a condensarsi con l’acetil-coA, formando citrato (prima tappa del ciclo di Krebs). Ipotiziamo che la glicolisi stia funzionando da un po’ di tempo: la piruvato deidrogenasi ha fornito una certa quantità di NAD ridotto, la fosforilazione ossidativa ha funzionato, quindi all’interno della cellula un alta concentrazione di NAD ridotto, FAD ridotto e ATP, che inibiscono il ciclo di Krebs.

Se abbiamo un alto livello di energia intervengono le deidrogenasi, stimolate da NAD+ e AMP e inibite da NADH e ATP. Il citrato non può proseguire nel ciclo di Krebs perché è rallentato dalle deidrogenasi, di conseguenza aumenta la concentrazione di citrato, sulla membrana mitocondriale interna esiste un trasportatore del citrato, a bassa affinità, cioè nelle concentrazioni normali non avviene il legame, però se la concentrazione aumenta il legame diventa possibile. A questo punto il citrato va nel citoplasma dove incontra citrato liasi, la quale richiede CoA e ATP per trasformare il citrato in acetilCoA e ossalacetato.

Il citrato viene dunque visto come trasportatore trans-membrana di acetil-CoA, che altrimenti non potrebbe uscire.

L’acetil-CoA, in condizioni di buona alimentazione, può prendere due strade nel citoplasma, a seconda delle condizioni di concentrazioni e delle regolazioni a cui è soggetto:

  1. In presenza di isoenzimi della sintesi di corpi chetonici (tiolasi, HMG-CoA sintasi) si forma il 3-idrossi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA), cioè la stessa molecola formatasi nel mitocondrio in condizioni di digiuno (fase simile a quella della sintesi di corpi chetonici).

Nel citoplasma è presente l’enzima HMG-CoA reduttasi, NADPH-dipendente: esso rappresenta il punto di regolazione della sintesi del colesterolo. Se, invece, fossimo alle stesse condizioni, ma nel mitocondrio all’interno della sua matrice troviamo una liasi che forma i corpi chetonici.

  1. L’acetil-CoA entra nella sintesi degli acidi grassi.

La PFK1 è regolata in modo allosterico dal citrato: il citrato del mitocondrio inibisce la PFK1 nel citoplasma, l’acetil-CoA si condensa con l’ossalacetato, il ciclo è rallentato, il citrato esce nel citoplasma e regola una serie di enzimi avvertendo che la cellula è in buone condizioni energetiche e che devono essere bloccati i processi ossidativi. La PFK1 supera questa inibizione nel fegato perché è presente il fruttosio-2,6-difosfato che consente la continuazione del processo di sintesi degli acidi grassi (utilizzando gli zuccheri).

 

Diabete

L’altra condizione in cui si accumulano corpi chetonici è il diabete. Il diabete potrebbe essere avvicinato alle condizioni di digiuno di glucosio: soprattutto del diabete di tipo 1, mancando la produzione di insulina non c’è utilizzo di glucosio: anche se il livello è alto, l’organismo non può usarlo. Il glucosio è abbondante a livello del sangue perché non viene trasportato all’interno delle cellule, ad eccezione di una minima parte che viene comunque introdotta passivamente, sia il muscolo e il tessuto adiposo infatti hanno dei trasportatori (GLUT4) sensibili all’insulina. Nel fegato in particolare i trasportatori non sono controllati da insulina, ma l’utilizzo di glucosio da parte della glucocinasi è ridotto, perché quest’ultima dipende dall’insulina. Le cellule, sentendosi prive di zuccheri, attivano la b-ossidazione e la gluconeogenesi. Non riuscendo a fornire energia attraverso gli zuccheri si attiva il catabolismo di acidi grassi e proteine, si cerca di produrre nuovo glucosio senza coscienza della iperglicemia. L’ossalacetato viene utilizzato, dunque la sua concentrazione è bassa ed in mancanza di ossalacetato si accumula acetil-CoA dando corpi chetonici poi riversati in circolo. Uno dei corpi chetonici è l’acetone, quindi nei diabetici è possibile sentire l’odore di acetone nell’alito. Se il diabete è riconosciuto si somministra insulina, altrimenti si può arrivare alla sintesi di chetosi (coma).

Riassumendo:

  1. bassa concentrazione di glucosio
  2. glicolisi inibita
  3. attivazione della gluconeogenesi a partire da ossalacetato (aminoacidi glucogenetici e acido lattico servono a formare ossalacetato)
  4. ossalacetato non potrà avanzare nel ciclo di Krebs
  5. l’acetil-CoA si accumula (proviene da acidi grassi e aminoacidi glucogenetici)
  6. avremo la formazione di corpi chetonici
  7. bloccata la produzione di citrato
  8. il fegato in condizioni di digiuno o di diabete: è gluconeogenetico, chetogenetico e lipogenetico

Tipi di diabete:

  • Tipo I   → Distruzione delle cellule del Langherans
  • Tipo II → malfunzionamento dei recettori per l’insulina

Le fasi del digiuno

Nelle ascisse abbiamo il tempo, nelle ordinate il glucosio usato dalle cellule.

  • A t0 siamo dopo un pasto: da qui in poi le concentrazioni glucosio esogeno nel sangue calano rapidamente, aumenta l’utilizzo di glucosio e di insulina. Allora vengono mobilitate le riserve (glicogenolisi)(●): il fegato è l’organo più coinvolto, perché dotato di glucosio-6 fosfatasi. (Il glicogeno muscolare viene demolito, ma il glucosio rimane nel muscolo stesso). Pian piano l’utilizzo del glicogeno cala (riserve di glicogeno à solo il 10% del peso del fegato).
  • Aumenta la gluconeogenesi a partire da materiale non glucidico, in particolare dalle proteine.

A un certo punto la gluconeogenesi rallenta: se continuiamo infatti a distruggere le nostre proteine l’organismo reagisce bloccando la gluconeogenesi e cominciano a essere sintetizzati e utilizzati corpi chetonici.