ffffffffff

METABOLISMELE INTERMEDIARECornelia Pencea, Constantin Ionescu-Trgovite1. Metabolismul proteic

A. Metabolismul aminoacizilor

A.1 Definiia aminoacizilor

Exist 20 de aminoacizi fundamentali, specificai prin codul genetic, existeni n toate organismele vii. Aminoacizii conin un atom de carbon central n poziie la care este ataat un grup carboxil i un altul amino, un atom de hidrogen (legat covalent) i un lan lateral (R) care realizeaz diferena dintre cei 20 aminoacizi (fig.1.) (18, 65).

COO-

NH3+ C H

R

Fig.1 Structura general a aminoacizilorExcepia de la formula general o face prolina, care are o funcie aminic secundar. Zece din cei 20 de aminoacizi pot fi sintetizai n celule i se numesc neeseniali. Ceilali zece aminoacizi, denumii eseniali, nu sunt deloc sintetizai sau sunt sintetizai n cantiti mult prea mici fa de nevoile organismului (18, 23). Prescurtrile folosite n aceast lucrare pentru diferii aminoacizi sunt redate n tabelul 1.1.

Tabel 1.1. Abrevierile aminoacizilor folosite n text (18)

AminoacidulPrescurtareaAminoacidulPrescurtarea

Alanin

Arginin

Asparagin

Acid aspartic

Cistein

Glicin

Glutamin

Acid glutamic

Histidin

IzoleucinAla

Arg

Asn

Asp

Cys

Gly

Gln

Glu

His

IleLeucin

Lizin

Metionin

Fenilalanin

Prolin

Serin

Treonin

Triptofan

Tirozin

ValinLeu

Lys

Met

Phe

Pro

Ser

Thr

Trp

Tyr

Val

A.2. Biosinteza aminoacizilor

Totalitatea aminoacizilor liberi existeni ntr-un anumit moment n organism formeaz fondul metabolic comun de aminoacizi. Aminoacizii acestui fond sunt asigurai prin hidroliza proteinelor alimentare i tisulare, precum i prin sintez endogen din molecule de natur neproteic (18, 65).

Sinteza endogen a aminoacizilor neeseniali presupune att o surs de atomi de carbon (scheletul hidrocarbonat) ct i o surs de atomi de azot (gruparea amino).

A.2.1. Sursele de atomi de carbonAcestea sunt reprezentate de intermediari ai metabolismului lipidic i, n special, ai metabolismului glucidic. Din fiecare intermediar se formeaz de regul mai muli aminoacizi ce aparin aceleiai familii. Exist trei ci metabolice care furnizeaz aceti intermediari: ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul Krebs), glicoliza i calea pentozofosfailor (fig.2).

Ciclul Krebs reprezint att o cale catabolic, comun glucidelor, proteinelor i lipidelor, ct i o cale anabolic, asigurnd intermediarii diverselor procese metabolice. Derularea acestei ci conduce, printre altele, la formarea de oxalacetat i -cetoglutarat, care prin transaminare formeaz aminoacizii din familia acidului aspartic (Asn , Met, Thr, Lys) i familia acidului glutamic (Gln, Pro, Arg).

Glicoliza furnizeaz componente necesare sintezei trigliceridelor (acetil-CoA i glicerol), dar i compui implicai n sinteza de aminoacizi (3-fosfoglicerat, fosfoenolpiruvat i piruvat). Acetia din urm, prin transaminare formeaz aminoacizi din familia serinei (Cys, Gly) i a acidului piruvic (Val, Ala, Leu).

Fig.2. Sinteza unor aminoacizi n cadrul glicolizei i ciclului Krebsuntul pentozo-fosfafat este o cale particular de degradare a glucozei care asigur NADPH-ul necesar biosintezelor reductive. Presupune dou etape: 1) conversia hexozelor la pentoze i 2) conversia pentozelor la hexoze. Pentozele rezultate pot servi ca surs de aminoacizi; astfel, ribozo-5-fosfat i eritrozo-4-fosfat se transform n His i respectiv Phe i Trp.

A.2.2. Sursele de atomi de azotSingura surs de atomi de azot folosit pentru sinteza endogen de aminoacizi este amoniacul. Acesta poate fi de origine exogen, obinut prin degradarea proteinelor alimentare la nivel intestinal cu absoria sa ulterioar. ns, cea mai mare parte din amoniac este produsul reaciilor de transdezaminare, oxidare ale aminelor i hidroliz a gruprilor amidice ale glutaminei i asparaginazei. Formarea gruprilor amino din amoniac se realizeaz n principal prin reacii catalizate de aminotransferaze i glutamatdehidrogenaz.

A.3. Catabolismul aminoacizilor (18, 65)

3.1. Ci catabolice generale

3.1.1. Decarboxilarea aminoacizilor este un proces metabolic prin care se obin aminele primare (amine biogene): adrenalina, noradrenalina, histamina, serotonina, colina, acidul -aminobutiric, putresceina etc. n organism aminele biogene ndeplinesc diverse roluri: mediatori chimici, hormoni, modulatori ai replicrii ADN etc.

3.1.2. Dezaminarea oxidativ i transaminarea sunt reacii care conduc la formarea de amoniac i noi aminoacizi.

3.1.3. Transdezaminarea este un proces n care dezaminarea oxidativ este cuplat cu transaminarea. Acest proces ciclic este sursa principal de amoniac n organism. n plus, asigur regenerarea -cetoacizilor. Aproximativ 85% din amoniacul rezultat este transformat n uree la nivel hepatocitar (ciclul ureogenetic), iar restul este reutilizat pentru sinteza aminoacizilor.

3.1.4. Gluconeogeneza i cetogeneza. Unii aminoacizi prin dezaminare formeaz compui de degradare din ciclul neoglucogenezei sau al cetogenezei. n tabelul 1.2 sunt redai aminoacizii glucogenetici (care dau natere fie piruvatului, fie oxal-acetatului), cei cetogenetici (lizina produce n final acetil-CoA, iar leucina acetil-CoA sau acetilacetat) i cei gluco- i cetogenetici (produc fie acetoacetat, fie acetil-CoA, uor convertibil n corpi cetonici).

Tabel 1.2. Clasificarea aminoacizilor i semnificaia lor metabolic (38)

Aminoacizi

glucogeneticiAminoacizi

cetogeneticiAminoacizi gluco

i cetogenetici

Glicina

Glutamatul

Glutamina

Aspartatul

Asparagina

Arginina

Cisteina

Alanina

Leucina

Lizina

TriptofanTreonina

Izoleucina

Fenilalanina

Tirozina

Histidina

Metionin

Prolin

Serin

3.2. Ci catabolice particulare3.2.1. Sinteza glutationului este un proces ce se desfoar n dou etape. Iniial acidul glutamic se combin cu cisteina, cu formare de -glutamil-cisteina; acest compus formeaz glutationul prin combinare cu glicocol, reacie catalizat de glutation sintetaza. Importana glutationului rezid din rolurile sale de activator enzimatic, transportor al aminoacizilor i antioxidant.

3.2.2. Sinteza creatininei are ca punct de plecare doi aminoacizi: glicina i arginina. Iniial, are loc un transfer al gruprii amidice de la arginin la glicin. Acidul guanidin-acetic, astfel obinut, printr-o reacie de metilare formeaz creatina. O mic parte din creatin este supus unei deshidratri nemediat enzimatic, cu producere de creatinin.

B. Metabolismul proteinelor

B.1. Aportul de proteine i semnificaia lor biologic

Aportul zilnic exogen de proteine este la un adult de circa 80-100 g, reprezentnd 12-15% din aportul caloric global. La aceste cantiti se adaug secreia n intestin a unei cantiti de 35-200 g de proteine endogene, prezente n sucurile digestive. ntruct prin fecale se elimin numai 6-12 g de proteine, rezult c majoritatea sunt absorbite n intestin, dup ce n prealabil au suferit o desfacere progresiv pn la aminoacizii componeni (fig.3) (38).

Lumen Suprafa luminal

Enterocit Capilar

Aminoacizi liberi (40%) Aminoacizi Na+

Polipeptide

Na+

Aminoacizi

pepsin

Dipeptide

tripsin Oligopeptide (60%) Tripeptide

chimotripsin

elastaze

endopeptidaze H+

carboxipeptidaz A+B aminopeptidaze

dipeptidaze

(Pancreatice)

(Intestinale)

Fig.3. Digestia i absorbia proteinelor (38)

Proteinele joac un rol fundamental n economia organismului att prin funciile lor structurale (matricea tuturor esuturilor), ct i dinamice (rol n transport, control metabolic, medierea unor reacii biochimice etc.) (27, 38, .62)

Enzimele (cteva mii) sunt proteine (molecule coninnd mai mult de 50 de aminoacizi n structura lor). Muli hormoni sunt, de asemenea, proteine: insulina, tireotropul hipofizar, hormonul somatotrop, hormonii luteinizani sau de stimulare a luteinizrii. Ali hormoni sunt peptide (astfel numite fiind moleculele aminoacidice cu mai puin de 50 uniti n structur). Unele proteine joac rol important n transportul O2 i CO2 (hemoglobina, mioglobina), a glucozei (transportorii de glucoz), a fierului (transferina). Proteinele funcionale includ imunoglobulinele i interferonul sau factorii de coagulare. Proteinele contractile cuprind miozina i actina. n fine, proteinele sunt structurile care controleaz reglarea, transcrierea i translaia genelor. Informaia genetic din ADN, de exemplu, prezent n membrana nucleolului este transpus prin ARN-ul mesager (ARNm) via ribozomi, i prin ARN-ul de transfer (ARNt) - pentru asamblarea proteinelor conform codului genetic.

B.2. Biosinteza, clasificarea i structura proteinelorProteinele sunt polimeri ai -aminoacizilor (fig.4). Structura polipeptidic asigur proteinelor diversitate molecular i specificitate de form (18, 65).

R H O R

CH N C CH

N C CH N C

H O R H OFig.4. Reprezentare schematic a structurii polipeptidice (38).

2. 1. Biosinteza proteinelor

Biosinteza proteinelor (18) implic trecerea de la limbajul n patru litere al acizilor nucleici la limbajul de 20 de litere (20 de aminoacizi) al proteinelor i presupune cinci etape:

1. activarea aminoacizilor conform reaciei:

aminoacid + ARNt + ATP = aminoacil-ARNt + AMP + 2 P

Reacia este catalizat de ligaze (aminoacil ARNt sintetaze), cu specificitate nalt pentru aminoacid i ARNt. Activarea fiecrui aminoacid necesit dou legturi macroergice.

2. iniierea lanului polipeptidic. Aceast etap presupune iniial formarea unui complex prin legarea ribozomului (subunitatea 30 S) la ARNm (captul 5')i ulterior, complexul nou format se leag de aminoacil-ARNt. n final, subunitatea ribozomal 50S se leag de ultimul complexul format. Procesele necesit prezena GTP.

3. elongarea lanului polipeptidic. Este un proces repetitiv care const n adugarea succesiv de aminoacizi pn la formarea proteinei de sintetizat. Energia necesar formrii lanului peptidic este furnizat prin desfacerea legturii aminoacilul iniiator-ARNt. Etapa necesit prezena unor factori de elongare.

4. terminarea sintezei lanului polipeptidic. Procesul presupune hidroliza legturii polipeptid-ARNt, cu eliberarea secundar a polipeptidului i a ARNt specific ultimului aminoacid. n plus, ribozomul se disociaz n cele dou subuniti i ARNm, ce a servit ca matrice pentru sinteza proteinei, se degradeaz.

5. prelucrri posttraducere ale proteinei sintetizate. Aceast etap implic modificri ale lanului polipeptidic sintetizat n scopul obinerii unor proteine funcionale (ex. ataarea unor grupri funcionale fosfat, glicozil, biotin- pentru formarea fosfoproteinelor, glicoproteinelor, acetil-CoA).

2.2. Clasificarea proteinelor

Clasificarea proteinelor (18, 38, 65) este relativ dificil i se bazeaz pe mai multe criterii.

n funcie de solubilitatea n ap, proteinele pot fi mprite n 1) globulare, solubile, n general proteine intracelulare i 2) fibrilare, insolubile, de regul proteine intracelulare

Aminoacizii al cror lan lateral R conine atomi de azot (lizina i arginina) sunt cunoscui ca aminoacizi bazici, ntruct lanul lor liber funcioneaz ca o baz. Aminoacizii al cror lan lateral conine gruparea carboxilic se numesc aminoacizi acidici. n funcie de prezena aminoacizilor bazici sau acidici din proteine, i acestea vor fi bazice sau acidice. Caracterul de ion al unui aminoacid depinde de pH-ul mediului n care se gsete.

Un alt criteriu de clasificare a proteinelor are la baz prezena/ absena unei grupri prostetice, distinct de lanul polipeptidic. n acest mod proteinele pot fi 1) simple (haloproteine), formate numai din aminoacizi i 2) conjugate (heteroproteine), alctuite dintr-o protein (apoprotein) i o grupare prostetic. Dup tipul gruprii prostetice putem deosebi: fosfoproteine, glicoproteine, lipoproteine, cromoproteine, metaloproteine, nucleoproteine. Unele proteine pot cuprinde mai multe grupri prostetice, prezentnd caracteristicile mai multor clase de proteine conjugate.

Pornind de la funciile pe care le ndeplinesc proteinele pot fi mprite n: enzime, hormoni, anticorpi, proteine de transport, contractile etc..

2.3. Structura proteinelor

Organizarea spaial a lanurilor polipeptidice se realizeaz prin interaciuni necovalente (legturi de hidrogen), interaciuni hidrofobe, atracii polare i ionice. Aceastea conduc la mai multe moduri de de organizare structural: primar, secundar, teriar i cuaternar (18, 65).

Structura primar a proteinelor se refer la numrul i ordinea secvenelor aminoacidice existent n proteina respectiv. Determinarea acestei secvene se face n prezent prin secvenializarea genei care produce proteina n cauz. Clonarea genelor celor mai multor proteine a uurat mult acest proces. Acest nivel de organizare structural red i totalitatea legturilor covalente din molecul, fiind denumit i structur covalent.

Structura secundar (conformaional) explic forma helicoidal a unor proteine. Este rezultatul interaciunii grupelor -C= O i NH din lanul peptidic, acesta pstrndu-i flexibilitatea prin rotaie liber n jurul acestei legturi.

Structura teriar se refer la aspectul tridimensional al polipeptidelor. Ea cuprinde nivelul secundar de organizare la care se adaug modul de pliere a lanului polipeptidic, realizat prin interaciuni ntre radicalii R de la carbonul situat n poziie .

n fine, structura cuaternar caracterizeaz numai proteinele cu mai multe lanuri polipeptidice (proteine oligomere). Acest mod de organizare definete modul n care lanurile polipeptidice se asambleaz pentru a asigura structura funcional a proteinei. Cele mai complexe proteine sunt cele globulare, solubile n ap i care pot fi bine caracterizate prin studiul cristalografiei n raze X.

B.3. Semnificaia funcional a proteinelor3.1. Pentru nelegerea complicaiilor cronice ale diabetului o importan deosebit o are colagenul, care face parte din clasa proteinelor fibroase (38). El conine structuri secundare numeroase i regulate, un aspect cilindroid si o slab solubilitate n ap. Colagenul se gsete n toate esuturile i organele, participnd la realizarea tramei ce confer forma diferitelor structuri. Procentul de colagen din diferite organe variaz dup cum urmeaz: 74% n piele, 64% n cornee, 50% n cartilagii, 15% n aort, 10% n plmni i 4% n ficat. Glicozilarea proteinelor colagenice particip n mod decisiv n modificarea acestor structuri, datorit legturilor ncruciate stabile care cresc rigiditatea esuturilor.

3.2. Lipoproteinele sunt complexe proteice i lipidice avnd o compoziie diferit, mrime diferit, metabolism diferit i efecte biologice diferite (vezi metabolismul lipidic). Fiecare clas lipoproteic are un suport proteic bine definit, denumit apoprotein (tabelul 1.3). Legturile dintre poriunile proteic i lipidic din aceste complexe sunt de natur necovalent, dar suficient de stabile i specifice (18, 65).

Tabel 1.3. Apoproteinele din lipoproteinele plasmatice exprimate ca procent din proteinele totale (38)

ApolipoproteinaHDL2HDL3LDLIDLVLDLChilomicroni

Apo A I

Apo A II

Apo D

Apo B

Apo C I

Apo C II

Apo C III

Apo E

Apo F

Apo G85

5

0

0-2

1-2

1

2-3

urme

urme

urme70-75

20

1-2

0

1-2

1

2-3

0-5

urme

urmeurme

urme

-

95-100

0-5

0,5

0-5

0

-

-0

0

-

50-60

< 1

2,5

17

15-20

-

-0-3

0-0,5

0

40-50

5

10

20-25

5-10

-

-0-3

0-1,5

1

20-22

5-10

15

40

5

-

-

Dup cum se observ, n HDL prevalent este ApoA I (75-85%), n LDL Apo B (95-100%), n IDL i VLDL de asemenea Apo B (dar n procente variind ntre 40 i 60%), iar n chilomicroni, pe lng Apo B48 (cca. 20%) se mai ntlnete Apo C III (40%) i Apo C II (15%).

Apoproteinele lipoproteinelor plasmatice au numeroase structuri -helicoidale. Aceste regiuni au o secven aminoacidic n care la fiecare 34 aminoacizi exist un lan intern polar (ionic), care se leag de extremitatea polar a fosfolipidelor.

Greutatea molecular a apoproteinelor variaz ntre 6000 Da i 550000 Da (Apo B100). Apo B100 conine 4536 aminoacizi, fiind una dintre cele mai lungi nlnuiri polipeptidice cunoscute.

Metabolismul apoproteinelor este puin cunoscut. Cantitativ, apoproteinele din structura lipoproteinelor nsumez ceva mai puin de 300mg, adic cca. 3g/l. Ceva mai importante cantitativ sunt Apo A I, Apo B100 i Apo A II (tabelul 1.4). Cel mai des sinteza are loc n ficat, mai rar n intestin i n alte esuturi.

Tabel 1.4. Cantitatea diferitelor apoproteine n organism

ApoproteineCantitate (mg/dl)

Apo A I

Apo A II

Apo B48Apo B100Apo C I

Apo C II

Apo C III

Apo D

Apo E130

40

1

80

6

3

12

10

5

3.3. Glicoproteinele sunt proteine care conin, ataate prin legturi covalente, molecule glucidice (18, 38). Ele sunt prezente n membranele celulare. Glicoproteinele secretate fac parte din clasa hormonilor, a factorilor de coagulare, a imunoglobulinelor, a secreiilor mucoase etc. Componenta glucidic variaz ntre 4% (n IgG) i 82% din molecul (glicoproteina gastric). Lanul polipeptidic conine 10-15 resturi glucidice, ataate de-a lungul lanului. Rareori componenta glucidic este unic (o singur molecul, ca n glicoproteina din glandele submaxilare).

3.4. Proteoglicanii (numii nainte mucopolizaharide) sunt molecule glicoproteice n care componenta glucidic (numit glicozaminoglican) poate ocupa 95% din molecul, fiind legat covalent de protein (18, 38). Proprietiile acestor compui se aseamn mai mult cu polizaharidele dect cu proteinele. Sunt compui polianionici datorit prezenei gruprilor carboxil sau sulfat. Sarcinile lor electrice i structura molecular joac un rol funcional important n permeabilitatea endoteliului vascular. Modificarea lor st la baza leziunilor din nefropatia diabetic.

3.5. Imunoglobulinele, din clasa crora fac parte i anticorpii (antiinsulinici, antiinsulari etc.), sunt alctuite din 4 lanuri polipeptidice. Clasele imunoglobulinelor sunt redate n tabelul 1.5 (18, 38, 65).

Tabel 1.5. Clasele imunoglobulinelor (18, 38)

Clasa

imunoglobulinelorGreutatea

molecularComponenta

glucidic (%)Concentraia n

ser (mg/dl)

IgA

IgG

IgD

IgE

IgM150.000

170.000-720.000

160.000

190.000

950.0002-3

7-12

10-12

10-12600-1800

90-420

0,3-40

0,01-0,10

50-190

3.6. Enzimele (biocatalizatori) sunt proteine avnd ca funcie specific procesele de activare sau accelerare a unor reacii chimice (18). Enzima interacioneaz covalent cu moleculele ce urmeaz a fi activate, dar nu se consum n acest proces. Toate cile metabolice sunt controlate de enzime specifice (38). Ele sunt cele care asigur raportul unui metabolit cu alte ci metabolice. Glucoza din alimente, de exemplu, poate fi oxidat pn la CO2 i H2O, dar poate fi i transformat n glicogen, lipide sau aminoacizi. Unele ci metabolice sunt controlate de enzime ce limiteaz ritmul reaciilor chimice specifice. De regul, aceast enzim este prima care deschide calea metabolic respectiv. Prezena unei enzime ntr-un compartiment celular limiteaz procesul metabolic mediat la acel compartiment. Unele enzime care mediaz procese metabolice eseniale i asemntoare, dar care acioneaz n celule diferite, prezint o serie de particulariti structural/funcionale minime, dar suficiente pentru a-i exercita rolul specific ce l au n fiziologia celulelor n care acioneaz. Specificitatea este unul dintr atributele fundamentale ale enzimelor. Aceasta poate fi de dou tipuri: de reacie i de substrat (18).

Specificitatea de reacie reprezint capacitatea fiecrei enzime de a cataliza un anumit tip de reacie (18). n funcie de tipul de reacie catalizat enzimele pot fi clasificate n: oxidoreductaze, transferaze, hidrolaze, ligaze etc.. Exist enzime care au dou sau mai multe variante de specificitate de reacie; aceasta este posibil datorit prezenei mai multor centre enzimatice active, distincte pentru fiecare tip de reacie.

Specificitatea de substrat confer enzimei capacitatea de a transforma un singur substrat (specificitate absolut) sau un grup de substane (specificitate relativ) (18). Dintre enzimele cu specificitate absolut amintim ureaza i anhidraza carbonic, n timp ce aria enzimelor cu specificitate relativ este foarte larg: lipaze, proteaze, glicozidaze etc..

Enzima interacioneaz cu substratul la nivelul centrului su activ. Exist o poziionare strict a substratului, dependent de izomeria optic a aminoacizilor constitutivi. Astfel, putem vorbi i de o specificitate stereochimic a enzimelor (18).

Localizarea intracelular a diferitelor enzime este redat n tabelul 1.6.

Tabel 1.6. Localizarea intracelular a principalelor enzime i cile metabolice (38)Citoplasma

Mitocondrii

Lizozomi

Reticulul

endoplasmatic

(microzomi)

Aparatul Golgi

Peroxizomi

NucleuGlicoliza: calea hexozo-monofosfat; glicogenez i glicogenoliz; sinteza acizilor grai; catabolismul purinelor i pirimidinelor; peptidaze; aminotransferaze; amino-acil sintetaze

Ciclul acizilor tricarboxilici; oxidarea acizilor grai; oxidarea aminoacizilor; alungirea acizilor grai; sinteza ureei; transportul de electroni i fosforilarea oxidativ cuplat

Lizozimaze; fosfataz acid; hidrolaze - incluznd proteaze, nucleaze, aril-sulfataze, lipaze, fosfolipaze i fosfataze

NADH- i NADPH-citocrom c reducatz; citocromul b5 i citocromul P-450 legat de funcia oxidazelor; glucozo-6-fosfataz; nucleozid difosfataz; esteraz; (-glucuronidaz, glucuronil tranferaz; cile sintezei proteice; sinteza fosfogliceridelor i triacil-glicerolului; sintezele steroidice

Galactozil i glucozil transferaze; condroitin sulfotransferaz; 5-nucleotidaz; NADH-citocrom c reductaz; glucozo 6-fosfataz

Oxidaza uratului; oxidaza acidului D-amino; oxidaza acizilor -hidroxi; catalaza; oxidarea acizilor grai cu lan lung

Cile biosintetice DNA i RNA

3.7. Membranele celulare sunt, de asemenea, structuri proteice (55%) i lipidice (45%) (18, 31, 38). Componenta glucidic este minor dar nu lipsit de importan. Lipidele realizeaz un strat dublu fosfolipidic, pe care sunt amplasate moleculele proteice globulare, transmembranare, cu structur i funcie complex. Unele dintre ele reprezint receptorii pentru diferite molecule biologic active; altele sunt proteinele ce asigur translocarea diferitelor molecule sau ioni din afara celulei n interior, sau invers. Membranele celulelor conin tranportori specifici pentru unii ioni sau unele molecule. Ei sunt numii uneori pompe ionice, mecanisme de translocare, transportori, permeaze, etc.

Principalele sisteme de translocare (transport) prin membranele celulare sau subcelulare sunt redate n tabelul 1.7.

Tabel 1.7. Sistemul de transport prin diferite membrane (38)TipClasExemple

Canale ionice*

Transportor**

Translocarea de grupReglate electric (prin voltaj)

Reglate chimic

Transport mediat pasiv

Transport mediat activCanale de K+, Na+, Ca++Receptorul acetilcolinic

Transportorul de glucoz

Na+, K+, ATPaz

Transportul de glucoz dependent de Na+Translocarea aminoacizilor

* - aceste molecule asigur un orificiu (canal) apos, prin care electrolitul poate fi transportat n ambele direcii;

** - spre deosebire de canalele ionice care nu necesit legarea substanei transportate, transportorii leag aceste molecule pentru a le putea trece n celul.

Referindu-ne la transportul de ioni i de glucoz, de aminoacizi sau alte substane prin memebrana celular, acestea se pot face printr-un mecanism pasiv (neconsumator de energie) sau printr-un mecanism activ (consumator de energie) (38). Caracteristicile celor dou sisteme sunt redate n tabelul 1.8.

Tabel 1.8. Caractersticile sistemelor de transport transmembranar

activ i pasiv (38)

Transport pasivTransport activ

Cinetic saturabil

Specificitate pentru substana transportat

Poate fi specific inhibat

Deplasare de-a lungul gradientului de concetraie

Fr consum energeticDeplasare mpotriva gradientului de concentraie

Cu consum energetic

Unul din mecanismele de transport ale glucozei i aminoacizilor este cel dependent de Na+, denumit i sistem de transport activ secundar (38). n acest sistem energia nu este furnizat de hidroliza ATP, ci de gradientul electrochimic al ionilor de Na+, care este folosit pentru a deplasa activ glucoza sau aminoacizii. Este vorba de un mecanism de tip sinport (micarea glucozei i Na+ n aceiai direcie), care opereaz n epiteliul intestinal i n celulele tubulare (fig.5).

Sistemul de transport al aminoacizilor prin epiteliul intestinal este asemntor cu cel al transportului Na+-glucoz. Translocatorii ns, sunt diferii pentru aminoacizii neutri (alanin, valin i leucin), pentru cei bazici (lizin, arginin), pentru cei acizi (aspartat i glutamat) i pentru prolin i glicin (glicocol).

Receptorii i canalele ionice reprezint o clas mare de proteine membranare nrudite, care asigur transducerea informaiei de la unele substane de natur hormonal sau chimic ctre structurile celulare funcionale, sau mediaz transportul de ioni prin membrana celular (38). Receptorul insulinic va fi descris n detaliu ntr-un capitol urmtor.

Fig.5. Diferitele mecanisme de transport prin membranele celulare: uniport deplasarea unei singure molecule ntr-o singur direcie; sinport deplasarea simultan a dou molecule n aceiai direcie; antiport deplasarea a dou molecule n direcii opuse. M i Ma indic dou molecule diferite (38).

Integrinele fac i ele parte din clasa receptorilor proteici, care joac rol important n stabilirea interaciunilor dintre celule, sau dintre celul i matricea extracelular (38). Ele sunt glicoproteine heterodimerice transmembranare, compuse din subuniti i (. Exist mai multe astfel de subuniti care leag moleculele de colagen cu alte molecule. Alterarea matricei extracelulare perivasculare poate juca un rol important n apariia complicaiilor vasculare diabetice. O alterare n structura integrinelor 3(1 din membrana podocitelor glomerulare (care asigur sinteza membranei bazale a endoteliului din glomerul) este precoce pus n eviden n cursul diabetului experimental, curnd dup instalarea hiperglicemiei.

Factorii peptidici de cretere sunt peptide mici secretate local cu scopul stimulrii creterii celulelor nconjurtoare (38). Exist peste 30 de peptide mitogene (de promovare a creterii) identificate n diferite esuturi. Cele mai cunoscute sunt IGF1 i IGF2 (IGF - Insulin Growth Factors). Domeniul este nc plin de necunoscute, uneori chiar confuz. Creterea concentraiei plasmatice sau locale a unui factor de cretere n endoteliu vascular sau n esutul conjunctiv a fost pus n legtur cu complicaiile cronice, macro i microvasculare.

Toate structurile proteice sunt realizate sub controlul unor gene specifice, distribuite pe mai muli cromozomi. Defecte n transcrierea genelor (bolile genetice) sunt urmate de defecte n structura hormonilor, enzimelor, factorilor de coagulare etc. Ele stau la baza unor tulburri specifice, dar nc incomplet cunoscute. Dificultatea nelegerii acestor tulburri deriv din faptul c o singur gen poate participa n codificarea mai multor structuri, dup cum o singur structur poate fi controlat de mai multe gene (38).

2. Metabolismul glucidic

2.1. Introduceren mod obinuit, glucoza sanguin, care reprezint principalul carburant necesar acoperirii cheltuielilor energetice ale organismului, este meninut la valori care, indiferent de condiiile de moment, nu trebuie s creasc peste 150mg/dl i nu trebuie s scad sub 50mg/dl. n condiii bazale (( jeun), glucoza trebuie s fie sub 110mg/dl la persoane normale, secreia de insulin ncepnd deja s fie stimulat cnd glicemia crete peste 90mg/dl.La o prim vedere, oscilaia glicemic diurn maximal, de 110mg/dl, este mare. Peste media de 80mg/dl, ea poate crete cu 70mg/dl, iar sub ea, poate scade cu 30mg/dl. Prima situaie se ntlnete cnd aportul exogen este mare; cea de a doua, cnd aportul nceteaz, iar consumul periferic este crescut.

Meninerea constanei glicemice este asigurat de mecanisme complexe de natur fizico-chimic sau hormonal, care acioneaz n mod sinergic, dei nu totdeauna concomitent. Fiecare mecanism intervine ntr-un moment bine definit, n raport cu constelaia biochimic din perioada respectiv. Aceasta din urm este variabil dup cum individul se afl imediat dup mas, la 12-18 ore postprandial sau n condiiile unui post prelungit (38).

2.2. Glucidele alimentareProdusul primar al fotosintezei, care are loc n plante, este reprezentat de glucoz. Dei n natur exist 4000-5000 de structuri glucidice, cea mai important este glucoza. Enzima care mediaz captarea energiei solare n prima etap a fotosintezei, n prezena CO2 este ribulozo-1,5-fosfat carboxilaza. Este cea mai abundent enzim din natur. Prin absorbia de ctre cloroplaste a cuantelor de lumin, energia acestora este utilizat pentru sinteza din CO2 i H2O a aldehidei formice i apoi a glucozei. Molecula care mediaz transferul de energie din cuantele luminoase n glucoz este molecula de ATP. Glucoza i celelalte glucide pe care le vom meniona reprezint probabil mai mult de 85% din sursele energetice organice prezente n special n biomasa vegetal (38).

Glucidele se mai numesc hidrai de carbon, ntruct elementele constituente (carbonul asociat cu hidrogenul i oxigenul) se afl n proporia existent n ap: C(H2)n.

Glucidele pot fi mprite n trei clase majore (18, 27, 38, 62, 65,):

a) Monozaharidele, reprezentate de unitile de baz ale glucidelor, coninnd un numr de atomi de carbon ntre 3 (trioze) i 7 (heptoze). Cele mai importante sunt hexozele (cu 6 atomi de carbon) din care fac parte principalele glucide alimentare: glucoza, fructoza i galactoza (fig.6).

Fig.6. Principalele 3 hexoze prezente n glucidele alimentare

Pentozele (cu 5 atomi de carbon), ca riboza i dezoxiriboza, sunt componente importante ale acizilor nucleici.

Triozele (3 atomi de carbon), tetrozele (4 atomi de carbon) i heptozele (7 atomi de carbon) sunt componente glucidice, cantitativ minore, dar cu rol cheie n metabolismele intermediare.

b) Oligozaharidele sunt polimeri a cte dou molecule de monozaharide (maltoza = glucoz + glucoz; zaharoza = glucoz + fructoz; lactoza = glucoz + galactoz). Pot participa pn la 4 molecule de monozaharide.

c) Polizaharidele sunt polimeri multiplii de monozaharide. n alimentaia omului principalele polizaharide sunt amidonul (de provenien vegetal) i glicogenul (de provenien animal), ambele reprezentnd polimeri de glucoz.

Celuloza, un alt polimer de glucoz, prezent n regnul vegetal, prezint o configuraie de legturi ntre moleculele sale, care nu este accesibil enzimelor din intestinul omului.

Glucidele reprezint cantitativ principala surs energetic acoperind ntre 50-70% din aportul caloric total. La o persoan adult consumnd 2500 kcal., cantitatea glucidelor este aproximativ 350 g. Majoritatea lor se gsesc sub form de polimeri de glucoz, prezeni sub form de amidon. Acesta se gsete n cartofi, orez, porumb, cereale i derivate. Dizaharidul zaharoz se gsete n zahr i derivatele sale, iar lactoza n lapte i produsele lactate. Fructoza sau glucoza sunt prezente sub form unimolecular n fructe sau miere.

Principalele glucide din alimente sunt indicate n tabelul 2.1.

Tabel 2.1. Sursele glucidelor alimentare (38)

GlucideAliment

Amilopectin i amiloz

Zaharoz

Lactoz

Glucoz

Rafinoz

Trehalozcartofi, orez, porumb, pine i alte finoase

zahr, produse zaharoase

lapte, produse lactate

fructe, miere, struguri

leguminoase

ciuperci

2.3. Digestia i absorbia glucidelor (38)Mucoasa intestinal las s treac n snge numai monozaharidele via co-transportorului sodiu-glucoz. Dizaharidele sunt desfcute n intestinul subire prin aciunea unor hidrolaze, enzime care adaug o molecul de ap pentru a desface legtura dintre cele dou monozaharide adiacente.

Polizaharidele (amidonul i glicogenul n primul rnd) sufer etape de digestie sub influena amilazelor, care cliveaz legturile specifice acestor macromolecule.

Amilazele sunt produse n glandele salivare i pancreas. Ele acioneaz la nivelul gurii i al duodenului asupra moleculelor mari de polizaharide pe care le micoreaz ca lungime, progresiv pn la dizaharidul maltoz, alctuit din dou molecule de glucoz. Sub aciunea maltazei, prezent n sucul intestinal, maltoza este clivat n dou molecule de glucoz.

n final, n intestin glucidele se vor gsi sub forma absorbabil, ca monozaharide: glucoz (cea mai abundent), fructoz, galactoz i pentoze (riboz i dezoxiriboz). Ocazional, pot apare i alte monozaharide (fig.7).

Fig.7. Desfacerea enzimatic a moleculei de amidon pn la glucoz (38)

Transportul monozaharidelor prin mucoasa intestinal se aseamn, n unele privine, cu transportul acestora i prin alte membrane, de exemplu, din snge n diferite sectoare celulare (muchi, ficat, esut adipos etc.). Glucoza i galactoza, care pot fi transportate din intestin n snge chiar mpotriva gradientului lor de concentraie, beneficiaz de un mecanism transportor activ, consumator de energie .

Fructoza, manoza, xiloza, arabinoza, care nu beneficiaz de un transport activ, trec n snge la un ritm mult mai mic dect cel al glucozei i galactozei.

La om, 80-90% din ingestia unei cantiti de glucoz apare n circulaia portal, n intervalul a 4-5 ore. Restul de 10-20% este utilizat n mucoasa intestinal pentru acoperirea nevoilor energetice locale. Factorii ce afecteaz golirea gastric ori motilitatea tractului digestiv influeneaz absorbia glucozei, fie n sensul creterii, fie (mai ales) n cel al scderii acesteia.

Creterea glicemiei, indus de absorbia intestinal a glucozei, scade producia hepatic de glucoz cu cca. 50%. Un procent de 25-30% din glucoza absorbit n intestin este depozitat n ficat sub form de glicogen. Restul este utilizat la periferie (creier, muchi i adipocite).

n funcie de viteza de digestie i absorbiie a glucidelor (proporional cu numrul de glucide simple ce alctuiesc moleculele complexe), ele pot fi mprite n rapide i lente (fig.8). Aceast mprire trebuie avut n vedere atunci cnd se ntocmete dieta pacientului care trebuie s vizeze evitarea creterilor sau scderilor prea rapide ale glicemiei.

Fig.8. Efectul hiperglicemiant al glucidelor simple i complexe (38)

1. O parte din fructoz este transformat, n ficat, n glucoz. Ca i glucoza, fructoza este fosforilat n ficat de ctre fructokinaz, reacie ce necesit prezena ATP. Ia natere fructozo-1-fosfat care este apoi transformat n gliceraldehid i dihidroxiaceton-fosfat, reacie aflat pe calea fructolizei mediat de aldolaz. n absena acestei enzime apare tulburarea cunoscut ca intolerana la fructoz, datorat acumulrii de fructozo-1-fosfat care duce la depleia de ATP i de fosfor anorganic n ficat. La rndul lor, acestea inhib fosforilarea oxidativ mitocondrial generatoare de ATP. n absena ATP, toate funciile hepatice sunt alterate, inclusiv funcionarea pompelor ionice. Hepatocitele se tumefiaz ducnd la citoliz osmotic.

Chiar i la individul normal capacitatea ficatului de a utiliza fructoza este limitat de nivelul desfacerii fructozo-1-fosfat n gliceraldehid i dihidroxiaceton, excesul de fructoz ducnd la depleia de ATP i fosfor anorganic.

Utilizarea fructozei la diabetici a fost indicat pe considerentul c metabolizarea ei ar fi relativ independent de insulin, ceea ce este numai parial adevrat. Datele noastre experimentale arat c glicemia crete dup ingestia de fructoz aproape tot att de mult ca dup ingestia de glucoz.

2. Galactoza se poate epimeriza (transforma) n glucoz i invers, conform reacilor:

Galactoz + ATP Galactozo-1-fosfat + ADP

UDP-glucoz + Galactozo-1- fosfat UDP-galactoz + Gucoz-1-fosfatGalactozemia este o boal genetic datorat absenei enzimei uridiltransferaz, care mediaz transformarea galactozei n glucoz. Cnd deficitul este prezent, persoana respectiv nu poate metaboliza galactoza derivat din glucoz. Afeciunea este sever i se manifest prin ntrziere mintal, nanism i afectare hepatic sever.

Reducerea galactozei la galacitol (similar sorbitolului ce apare prin reducerea glucozei) iniiaz formarea cataractei i determin leziuni cerebrale.

2.4. Transportul monozaharidelor prin membranele celulare

n multe esuturi glucoza ptrunde n celul printr-un mecanism de difuziune facilitat, mediat de un transportor hexozic, care nu consum energie i nu necesit un cotransport ionic. Acest sistem transportor nu este reglat de insulin. Dintre esuturile insulinoindependente care beneficiaz de un asemenea transport menionm: celulele cerebrale, hematiile, celulele insulelor Langerhans. Dei creierul este considerat ca un sistem tisular insulino-independent, acest organ nu mai poate fi totui etichetat ca insulino-insensibil. Creierul conine insulin i receptori insulinici, dei rolul lor fiziologic la acest nivel nu este nc bine clarificat (38).

Transportorii de glucoz, prescurtat GLUT (glucose transporters) reprezint o clas de proteine specializat pentru transportul glucozei n diferite seturi celulare. n linii mari exist dou tipuri de transportori pentru glucoz: (1) unul este transportul pasiv, independent de transportul de Na+, prezent practic n toate celulele organismului, i (2) cotransportul de glucoz dependent de Na+ (transportul activ) care folosete potenialul electrochimic realizat de Na+ pentru trecerea glucozei n celul (27, 38).

2.4.1. Cel mai important transport este cel de tip facilitator (pasiv), independent de Na+. n aceast categorie au fost identificate cel puin 5 clase de transportori numerotai de la 1 la 5 (tabel 2.2) (38).

Transportoresutul deservit**Numr aminoacizi***Greutate molecularLocalizare cromozomialCapacitate Km

GLUT1

GLUT2

GLUT3

GLUT4

GLUT5Creier, eritrocite, fibroblati,miocite

Ficat, celule B

Creier, fibroblati

Adipocit, muchi, miocard

Intestin subire492

524

496

509

50155

58

54

55

501p35->p31.3

3q26.1->q26.3

12p 13.3

17p 13

1p32 ->p221-3 mM

5-7 mM

-

1-3 mM

-

Tabel 2.2. Transportorii de glucoz (GLUT) prin mecanism facilitator, independent de Na+* (38)-* - Co transportul Na+/glucoz (664 aminoacizi, 75 Kd), dependent de cromozomul 22q11

** - Sunt indicate esuturile predomiant deservite de aceti transportori, care pot fi prezeni n cantiti mici i n alte esuturi.

*** - ntre diferitele tipuri de transportori exist o identitate structural de 50-65%.

Principalele esuturi insulino-dependente (ficatul, muchiul i esutul adipos) posed un sistem de transport al glucozei accelerat de ctre insulin (38). Se pare c viteza maxim de transport a glucozei (Vmax) mediat de insulin se datoreaz creterii numrului transportorilor de glucoz din membrana plasmatic a acestor celule i nu creterii ritmului de aciune a transportorilor. Interesant de notat c transportorii GLUT-1, -3 i -5 se gsesc prezeni n membrana celulelor; GLUT-2 i -4 se gsesc n interiorul celulelor, de unde sunt translocai ctre membran printr-un mecanism declanat de legarea insulinei pe receptorul ei specific.

Secvenele de aciune a insulinei asupra transportului glucozei ar fi urmtoarele (38): (a) legarea insulinei de receptorul din membrana celular; (b) declanarea unui semnal (mesager) intracelular; (c) deplasarea transportorului glucozei ctre membrana celular; (d) fuzionarea transportorului cu membrana celular i captarea unei molecule de glucoz; (e) transportarea moleculei de glucoz n celul. Principala aciune a insulinei este aceea de a mobiliza transportorii de glucoz din interiorul celulei ctre membran. Cei 492 aminoacizi ce alctuiesc acest tip de transportor prezint 12 domenii transmembranare. Ciclul cinetic de transport prevede modificri conformaionale n interiorul unei proteine (sau a mai multor proteine transmembranare) care permit legarea i eliberarea moleculei de glucoz. Din modul de funcionare al proteinelor transportoare rezult c ele reprezint o clas de molecule transmembranare, cu o mare flexibilitate intern.

Dei ficatul face parte din esuturile insulino-dependente, se pare c dependena de insulin se refer nu att la transportul prin membrana celular (care pare a fi insulino-indepedent), ct la metabolizarea glucozei i depozitarea sub form de glicogen sau transformarea n compui lipidici.

2.4.2. Al doilea mecanism de transport transmembranar al glucozei include sistemul care efectueaz simultan translocarea de zaharuri i cationi (Na+ i/sau H+) (38). Pentru acest motiv, proteinele implicate n acest proces sunt numite co-transportori glucide/ioni. Principalele celule n care acioneaz acest tip de transport sunt celulele epiteliului tubular renal (prin care se reabsorb cele cca. 170g de glucoz filtrate n 24 h) i cele ale epiteliului intestinal (prin care se absorb cele cca. 350g monozaharide rezultate din digestia glucidelor ingerate).

Elementele caracteristice acestui sistem transportor sunt:

- transportul activ (consumator de energie, mediat de Na+-K+-ATPaz) primar al Na+ i H+;

- reglarea gradientului electrolitic de Na+ sau H+;

- transportul ionilor de-a lungul acestui gradient;

- antrenarea n acest flux i a moleculelor de glucoz.

Co-transportorul proteic trebuie s prezinte dou situsuri de legare, unul pentru cation i altul pentru glucid. De exemplu, sistemul cotransport intestinal Na+--D-glucoz conine situsuri de legare att pentru Na+, ct i pentru D-glucoz. Situsurile de legare trebuie s fie accesibile de pe ambele suprafee ale membranei. n aceast ultim categorie exist dou tipuri de proteine transportoare: unul cu afinitate mare dar capacitate mic de transport (Km = 0,3 mM), prezent n rinichi i intestine i altul cu afinitate mic dar capacitate mare de transport (Km = 2-6 mM), prezent n rinichi. Aceti transportori sunt inhibai de fluorizin, dar nu sunt influenai de insulin. Defectul genetic n structura acestor transportori se ntlnete n diabetul renal sau n intolerana la glucoz-galactoz.

Co-transportorul ion/glucid reprezint numai 1% sau mai puin din toate proteinele prezente n membrana citoplasmatic, astfel nct punerea lor n eviden este dificil. S-a sugerat c proteina transportoare are ca situs de legare a glucozei restul lizin, iar ca situs de legare a Na+, restul tirozin. Proteina este asimetric fa de planul membranei, avnd o greutate molecular ntre 110000 i 343000 Da n funcie de specie.

Ritmul co-transportului de glucoz este relativ lent, de 1-102 s-1. Spre comparaie, transportul prin transportori tubulari realizeaz un ritm de 102 105 s-1, iar cel prin canale ionice, de 106-108 s-1. Ritmul mai lent al cotransportului glucoz/ioni s-ar putea datora nevoii realizrii modificrilor conformaionale prin care s se expun succesiv situsurile de legare ale cationului i respectiv glucidului (n spe, glucozei).

La bacterii acioneaz alte dou tipuri de transport nentlnite la om, care necesit: unul legarea proteic i altul fosforilarea prealabil a glucozei.

2.5. Distribuia glucidelor n organismPool-ul sau masa comun de glucoz, cum se mai numete cantitatea de glucoz din organism, este apreciat la cca. 250 mg/Kg corp (17,5 g pentru o persoan de 70 Kg). El exprim echilibrul dintre glucoza consumat continuu n esuturi i cea produs continuu n ficat sau preluat din intestin, n circulaie. Cnd concentraia glucozei este constant, producia i utilizarea sunt egale (38).

ntruct turnover-ul glucozei n 24 h este de cca. 180g (100 120mg/Kg corp/or) rezult c cele 17,5g de glucoz existente la un moment dat n lichidele organismului reprezint numai 10% din cantitatea necesar n 24 ore. Dac lum n calcul glucidele de rezerv aflate n muchi (cca. 250g) sau n ficat (70g) n totalitate, glucidele existente la un moment dat n organism nu pot asigura necesarul energetic dect pentru ceva mai mult de 24 ore. S menionm faptul c cea mai important cantitate de glicogen (cca. 2/3 din total) se afl n muchi. Ea nu poate fi utilizat dect local, neputnd fi transportat n snge pentru eventuala corectare a unei hipoglicemii.

Datorit marii difuzibiliti a glucozei, dup injectarea sa i.v., ea se distribuie rapid n toate sectoarele hidroosmolare ale corpului. Repartiia ns este inegal datorit vitezei diferite de transport a glucozei prin diferite membrane biologice.

2.6. Concentraia glucozei n diferite compartimenteDatorit eficienei diferite a transportului prin membranele biologice, concentraia de glucoz va prezenta particulariti a cror semnificaie nu se cunoate cu precizie (38). Concentraia intracelular (i.c.) a glucozei este de cca. 20mg/dl, fa de 80mg/dl n afara celulei (e.c.). Aceast valoare mai mic n celul se datoreaz faptului c aici glucoza este continuu metabolizat. Se tie c ea poate fi utilizat de orice tip de celul, iar pentru unele celule (celulele nervoase i hematiile, n primul rnd) ea este singura surs energetic (18, 65).

Nu se tie mult despre concentraia glucozei n diferitele compartimente ale celulei. Se cunoate c acestea cuprind diferite structuri i organite, organizate spaial i dotate enzimatic, n raport cu funciile pe care le ndeplinesc n economia celulei. Aceste compartimente sunt: membrana celular extern, aparatul Golgi, reticulul endoplasmatic (neted i rugos), membrana mitocondrial extern, spaiul intermembranar, membrana mitocondrial intern, matricea, lizozomii, particulele de amidon i glicogen, matricea nuclear, proteinele structurale i citozolul. Diferitele ci metabolice opereaz n unul sau dou din compartimentele menionate. n aceste compartimente enzimele sunt dispuse secvenial sub form de complexe enzimatice (metaboloni). Principalele complexe enzimatice intracelulare sunt urmtoarele: biosinteza ADN; biosinteza ARN; biosinteza proteic; biosinteza de glicogen; biosinteza de purine; biosinteza de pirimidine; metabolismul aminoacizilor; biosinteza lipidelor; biosinteza sterolilor; glicoliza; ciclul acizilor tricarboxilici; oxidarea acizilor grai; transportul de electroni; biosinteza de antibiotice; ciclul ureic; degradarea AMP ciclic.

Evident, compartimentele n care se gsesc enzimele glicolizei sau ale biosintezei de glicogen vor prezenta i concentraii mai mari de glucoz.

Dinamica vie a metabolismului i.c. al glucozei face ca informaiile privind concentraia acesteia la un moment dat n celul s fie dificil de obinut. Existena unui sistem de transport transmembranar al glucozei, acionat de insulin, face ca valoarea de moment a glucozei s fie influenat de eficiena sistemului transportor. Aceste date explic de ce concetraia i.c. a glucozei nu evolueaz paralel cu cea e.c. a glucozei. De aceast deosebire posibil trebuie s se in seama atunci cnd interpretm valoarea glucozei sanguine (determinat n spaiul extracelular) n vederea explicrii unei simptomatologii sugestive de neuroglicopenie; sau dimpotriv, absena acestora atunci cnd valoarea glucozei sanguine ar justifica apariia fenomenelor neuroglicopenice.

2.7. Rolul glucidelor n organism

Dei glucidele nu reprezint mai mult de 0,3% din greutatea corpului (aflate n special n glicogenul muscular - cca. 250g i cel hepatic - cca.70g), ele joac un rol important multiplu n organism (38). Trebuie fcut totui meniunea c, dei procentul de glucide din alimentaie poate atinge 80% din nevoia caloric, cu excepia asigurrii necesarului de vitamina C (din fructe, legume - surse i pentru glucide), glucidele pot lipsi totalmente din alimentaie fr un efect negativ sesizabil imediat. Acest lucru se datoreaz faptului c practic toate vieuitoarele sunt capabile s sintetizeze compui glucidici din diferii precursori. Aceti precursori pot fi aminoacizi, lactat, piruvat i glicerol (18). Aceasta explic de ce nici un glucid nu este indispensabil alimentaiei omului. S-a dovedit experimental c omul poate supravieui fr dificulti luni de zile consumnd numai carne i grsimi care conin cantiti mici de glucide (sub form de glicogen).

2.7.1 Rolul structural al glucidelor este esenial pentru toate esuturile (38). Proteinele i enzimele care leag glucidele sunt prezente n numr mare n toate celulele vieuitoarelor i sunt implicate n numeroase funcii biologice.

- Derivaii fosfat ai monozaharidelor sunt importani n ciclul transformrilor energetice, iar adenozintrifosfatul (care conine riboz) are rol cheie n nmagazinarea i transferul de energie att n regnul animal, ct i n cel vegetal.

- Acizii nucleici, care controleaz biosinteza proteinelor i transferul informaiei genetice, sunt polimeri cu compui glucidici.

- Polizaharidele asociate cu proteine (glicoproteinele) se gsesc n snge i n diferite secreii, n membranele celulare i n esutul conjunctiv.

- Glicoproteinele de pe suprafaa celulelor au fost implicate n procesele de recunoatere ale altor molecule i de adezivitate. De exemplu, hemaglutinina este o molecul compus din trei subuniti identice, alctuit din cte 550 aminoacizi i coninnd 25% din greutatea lor, glucide. Molecula recunoate acidul sialic prezent pe glicoproteinele i glicolipidele de pe suprafeele celulelor int, mediind ulterior fuzionarea acestora cu membranele virusurilor ori ale celulelor gazd. Stabilitatea legturilor protein-glucid se bazeaz pe legturi de hidrogen i contactele Van der Waals.

2.7.2 Rolul energetic al glucidelor este fundamental, datorit faptului c glucoza reprezint principalul carburant al tuturor celulelor organismului (38). Glucoza poate fi utilizat practic de toate esuturile, iar pentru unele dintre ele (creierul n special, dar i hematiile, celulele medulare renale) reprezint unica surs energetic.

Rolul energetic al glucidelor se refer la metabolizarea glucozei, molecul pivot, ctre care converg toate celelalte monozaharide energetice. nainte de a fi utilizate, fructoza i galactoza sunt transformate n glucoz.

Avnd dimensiuni mici (8,6 ) i fiind lipsit de sarcin electric, glucoza are o bun difuzibilitate n esuturi, transportul acesteia prin diferite membrane fiind asigurat de mecanisme eficiente. Pe de alt parte, desfacerea glucozei din glicogenul hepatic sau muscular este rapid, reprezentnd un mecanism de susinere energetic imediat.

Structura moleculei de glucoz, care conine o cantitate mare de oxigen, asigur un aport indirect al acestui element, n momentul n care cheltuiala energetic este mare, depind capacitatea susinut de oxigenul adus pe calea respiratorie. n fine, arderea unei molecule gram de glucoz (180 g) elibereaz 686000 calorii, deeurile acestei arderi fiind moleculele reutilizabile H2O i CO2.

Din metabolizarea unei molecule de glucoz iau natere 38 de molecule ATP, cea mai mare parte (34 molecule) aprnd n etapa fosforilrii oxidative (fig. 9)

Fig.9. Generarea moleculelor de ATP prin metabolizarea glucozei (38)

2.8. Glucidele ca rezerv energetic

Dei forma obinuit de depozitare energetic este reprezentat de trigliceridele din esutul adipos, cantiti mai mici de energie sunt nmagazinate i sub forma glicogenului care prezint o serie de proprieti fiziologice ce i justific existena (38). n primul rnd, trigliceridele nu pot fi tot att de rapid hidrolizate ca glicogenul. n al doilea rnd, trigliceridele, spre deosebire de glicogen, nu pot fi folosite ca surse de energie n absena oxigenului. n sfrit, lipidele nu pot fi transformate rapid n glucoz pentru a putea menine glicemia sanguin necesar susinerii metabolismului cerebral.

Pe de alt parte, stocarea glucozei sub form de glicogen evit ncrcarea osmotic excesiv a celulelor hepatice care ar aprea prin prezena unor concentraii mari de glucoz.

Uurina cu care este sintetizat glicogenul n muchi i ficat se datoreaz faptului c adugarea de uniti de glucoz se face pe moleculele de glicogen deja existente n celul. n plus, caracterul ramificat al moleculei de glicogen permite ca att captarea de glucoz, ct i eliberarea ei din molecula de glucoz s se fac la nevoie, simultan n mai multe locuri.

Sinteza primei molecule de glicogen are loc, se pare, cu ajutorul glicogeninului, o protein celular capabil s se autoglicozileze, folosind UDP-glucoza (uridin difosfat-glucoza) pentru a se lega de restul tirozinic al proteinei. Glicogenin-glucoza reprezint substratul pe care glicogen-sintetaza fixeaz apoi molecule de glucoz. Pe msur ce molecula de glucoz crete, activitatea glicogen-sintetazei diminu, limitnd creterea excesiv a stocurilor glicogenice (feed-back negativ).

Sinteza glicogenului este reglat de glicogen-sintetaz, n timp ce degradarea glicogenului este reglat de glicogen-fosforilaz. Cnd una este activat, automat, cealalt este inhibat.

ntruct ptrunderea glucozei n celul inhib fosforilaza a (enzima care mediaz desfacerea glicogenului), se poate considera c aceast enzim funcioneaz n celula hepatic ca un adevrat senzor pentru glucoz dup modelul glucokinazei, prezent n celula (-pancreatic (fig.10).

Cretere glicemic

Hepatocit

Celula

Glucoz

Senzorul glicemic ( pancreatic

Senzorul glicemic hepatic

Fig.10. Rolul de senzor glicemic este jucat n celula ( de glucokinaz,iar n hepatocit de fosforilaza a. Activarea fosforilazei de ctre glucoz inhib glicogenoliza. Insulina stimulat de glucoz, activeaz la rndul ei glicogen-sintetaza, care crete sinteza hepatic a glicogenului (38).

2.9. Cile de metabolizare ale glucozeiToate celulele corpului pot folosi glucoza, att pentru a produce energie, ct i pentru a ndeplini alte funcii. ncorporarea ei n diferii compui, de regul proteici (glicoproteine), face parte dintre acestea. Cnd glucoza intr n celul, ea este imediat fosforilat n glucozo-6-fosfat. Apoi glucoza ia una din cile de metabolizare, specifice celulei i momentului funcional al acesteia (38).

2.9.1. Glicoliza

Aa cum am precizat anterior, rolul major al glucozei n organism este cel de surs energetic. Eliberarea energiei ncorporate n molecula de glucoz poate fi total, cu eliberare de CO2, sau parial, prin oxidare la piruvat. n hepatocite, glicoliza reprezint i cale de sintez a lipidelor de rezerv, prin transformarea glucozei n triaciligliceroli (TAG).

Fosforilarea glicogenului duce la eliberarea din molecula sa a glucozo-1-fosfat, care este rapid izomerizat n glucozo-6-fosfat. Aceasta din urm mai poate proveni din captarea glucozei din circulaie, fosforilarea ei fcndu-se cu ajutorul ATP. O alt surs de glucoz este neoglucogeneza.

Glicoliza anaerob (calea Embden-Meyerhof) cuprinde o serie de secvene metabolice care duc la formarea de acid piruvic i acid lactic, paralel cu producerea a 2 molecule ATP (fig.11). Acest proces se desfoar numai intracitoplasmatic.

Glucoz

Absena oxigenului

Prezena oxigenului

2 ATP

38 ATP

Acid lactic

CO2 H2O

Glicogen hepatic

Fig.11. n prezena oxigenului metabolizarea complet pe calea oxidativ a glucozei genereaz 38 mol ATP, fa de numai 2 mol ATP produse prin glicoliza anaerob, pn la acidul lactic (38)

Dei prima secven a metabolizrii glucozei, reprezentat de glicoliza anaerob, are o eficien energetic mic, ea reprezint o cale de asigurare a produciei energetice n situaiile n care cantitatea de oxigen este mic. n hematii aceast cale este singura operant, chiar n prezena oxigenului. Acidul lactic produs n acest proces metabolic, este transportat la ficat i utilizat pentru resinteza de glicogen.

Glicoliza anaerob prevede clivarea moleculei fructozo-1,6-difosfat n 2 trioze fosfat; izomerizarea celor dou molecule le face metabolic echivalente.

Reacia oxidativ a glucozei catalizat de triozo-fosfat dehidrogenaz transform echivalentul reductor din trioz n NAD+ cu formare de NADH. Energia eliberat n aceast etap oxidativ este conservat prin captarea unui fosfat anorganic i introducerea lui n 1,3difosfoglicerat. Acesta la rndul lui transfer grupul fosfat pe ADP, formnd ATP i 3-fosfoglicerat. Dup mutarea fosfatului restant la poziia 2, produsul este deshidratat de ctre enolaz, producnd al doilea intermediar nalt energetic al glicolizei, fosfoenolpiruvatul. Acesta cedeaz o molecul fosfat formnd din ADP o molecul de ATP i piruvat. Astfel, fiecare din cele dou trioze formate prin clivarea hexozei vor genera cte dou molecule ATP. n ansamblu, glicoliza a 1mol glucoz va genera 4mol ATP. ntruct ns 2mol ATP sunt necesari convertirii glucozei n fructozo-1,6-difosfat, bilanul net al glicolizei va fi de 2mol ATP/1mol glucoz utilizat.

Funcia oxidativ a glucozei depinde de transformarea NAD+ n NADH. Pentru ca aceast cale s continue, este nevoie de o permanent regenerare a NAD+. n absena oxigenului, aceasta este ndeplinit de lactat-dehidrogenaz, care accept hidrogenul din NADH transferndu-l piruvatului format ca produs final al reaciilor cii triozo-fosfat. NAD+ format poate apoi fi reciclat pentru reaciile oxidative ale triozo-fosfat-dehidrogenazei i lactatului, care este punctul terminus al glicolizei anaerobe. n acest fel, nu exist o modificare net a cuplului NAD+-NADH, ntruct reaciile oxido-reductoare ale triozofosfat-dehidrogenazei i lactat-dehidrogenazei sunt cuplate ntr-un sistem intern compensat.

Glicoliza aerob este reprezentat de continuarea cii glicolitice n prezena oxigenului (aerobioz), care duce la generarea n ciclul acizilor tricarboxilici i n fosforilarea oxidativ, a 34 mol ATP.

Oxidarea complet a piruvatului produs n cursul glicolizei se face pe calea metabolic comun, ctre care converg i ceilali compui energetici (lipidici i proteici) i cunoscut sub numele de ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul Krebs. nainte de a intra n ciclu, piruvatul trebuie s difuzeze din citoplasm n mitocondrie. Prima etap premergtoare intrrii n ciclul acizilor tricarboxilici este transformarea piruvatului n acetil-CoA. Acesta mai poate proveni i din alte surse, lipidice sau proteice.

Acetil-CoA este acetatul introdus n acest ciclu sub forma sa activat, de ester al coenzimei A. Importana ciclului Krebs este aceea c el reunete ntr-o cale final toate cele trei metabolisme, reprezentnd o plac turnant din care pot merge diferiii compui produi pe diferite ci metabolice (fig.12).

Fig.12. Locul central al acetil-CoA n integrarea metabolismelor (38)

Funcia ciclului acizilor tricarboxilici este aceea de a elibera treptat electronii care vor fi apoi utilizai n fosforilrile oxidative postciclu. Totui, spre deosebire de glicoliza anaerob, procesul este ireversibil, adic se desfoar ntr-o singur direcie. Nu exist nici o cale de resintez a acetatului din compuii finali (CO2 i H2O). O alt deosebire fa de glicoliza anaerob este aceea c reaciile cii sunt nlnuite circular. n acest ciclu, produsul iniial reapare la captul su. n termenul bilanului atomilor de carbon, procesul const esenialmente n combinarea unui compus cu 2 atomi de carbon (acetatul) cu un compus cu 4 atomi de carbon (oxalacetatul) pentru a produce un compus cu 6 atomi de carbon (izocitratul) ce este oxidat i decarboxilat, rezultnd un intermediar cu 5 atomi de carbon (-cetoglutaratul). Dup o nou decarboxilare oxidativ rezult o unitate cu 4 atomi de carbon (succinatul), care dup oxidare i rearanjare este transformat n produsul cu 4 atomi de carbon original, oxalacetatul, de unde ciclul va urma o nou tur.

n ciclul acizilor tricarboxilici, ATP poate fi generat direct numai ntr-o singur etap. Rolul su energetic const n extragerea atomilor de H+ i electronilor din acetat i transferarea lor pe lanul respirator. Prima decarboxilare este catalizat de izocitrat-dehidrogenaz, care transfer o pereche de electroni ctre NAD, producnd CO2 i NADH. A doua decarboxilare, din urmtoarea faz, produce de asemenea, CO2 i NADH. Enzima catalizant este -ketoglutarat-dehidrogenaza, n prezena tiaminei. Succinil-CoA, care rezult n ciclu, transfer grupul su tio, nalt energetic, la un alt intermediar nalt energetic, guanozintrifosfatul (GTP), care poate fi interconvertit la ATP n interiorul mitocondriei. Este singura etap n ciclu unde este generat direct o molecul ATP. Celelalte etape oxidative ale ciclului, care furnizeaz electroni lanului respirator, acioneaz prin intermediul FAD, care preia calea oxidativ.

Eficiena energetic a ciclului acizilor tricarboxilici rezult din faptul c fiecare molecul NADH sau FADH2 generat n cursul reaciilor oxidative poate fi oxidat direct prin transportul de electroni prin situsurile de cuplare cu fosforilarea oxidativ. Astfel, pentru fiecare mol de acetil-CoA convertit la citrat i apoi la izocitrat vor rezulta indirect urmtoarele molecule ATP:

- izocitrat -cetoglutarat + CO2 + NADH 3 ATP

- -cetoglutarat succinil CoA + CO2 + NADH 3 ATP

- succinil ~ CoA succinat + GTP

1 ATP

- succinat fumarat + FADH2

2 ATP

- malat oxalacetat + NADH

3 ATP

12 ATP

2.9.2. Calea hexozomonofosfat (HMP).

Aceasta se mai numete calea fosfogluconat i reprezint o ramificaie metabolic a bazei cii glicolitice, care are ca semnificaie funcional: producerea de NADP indispensabil funcionrii att cii glicolitice principale, ct i unor sinteze care au loc n organism (acizi grai, steroli) (18, 38).

Calea HMP pornete prin oxidarea glucozo-6-fosfatului, n acidul fosfogluconat corespunztor, urmat de decarboxilarea oxidativ pentru a produce compui pentozici (ciclul se mai cheam i pentozofosfat). Un atom de carbon este eliminat din molecula glucozei sub form de CO2.

Prin aciunea enzimelor dehidrogenazice este generat coenzima redus nicotin-adenin-dinucleotidfosfat (NADPH). Aceasta este un cofactor esenial pentru sinteza de acizi grai (fig.13). Compuii pentozofosfai sunt transformai printr-o serie de reacii complicate ctre hexozofosfaii iniiali sau ctre sinteza de nucleotide.

Gradul lipogenezei n esutul adipos este direct legat de funcia untului HMP. Oxidarea glucozei pe aceast cale este puternic stimulat de insulin.

CO2

Glucozo-6-P

Pentozo-fosfat

Calea

Embden-Meyerhof

Acetil-CoA

Acizi grai

Ciclul Krebs

Fig.13. Calea hexozo-monofosfat (HMP)

2.9.3. Glicogenogenezan perioada postprandial, cnd disponibilitatea de glucoz este mai mare dect consumul periferic, o parte din glucoz este depozitat n ficat, muchi i mai puin n alte celule, sub form de glicogen. Dup ptrunderea n celula hepatic, glucoza este transformat n glucozo-6-fosfat. Transformarea este mediat de glucokinaza specific esutului hepatic, care este insensibil la insulin. n muchi, transformarea glucozei n glucozo-6fosfat este mediat de hexokinaz.

Glucozo-6-P este transformat n glucozo-1-P printr-o izomeraz, denumit fosfoglucomutaz, n prezena magneziului. Aceast izomerizare se face n dou etape, cu formarea tranzitorie a glucozo-1,6-disfosfat.

Glucozo-1-P este transformat n uridin-difosfatglucoz (UDPG) graie uridin-difosfoglucozo-pirofosforilazei n prezena uridin-trifosfatului (UTP).

Uridin-difosfoglucoza (UDPG) cedeaz glucoza sa unui lan polizaharidic (mrete molecula de glicogen), iar UTP rmas liber este retransformat n ATP. Polimerizarea UDPG este asigurat de enzima glicogensintetaz, cu formarea legturilor (-1,4- prin care molecula de glicogen este alungit. Glicogen-sintetaza se gsete sub dou forme interconvertibile: una activ (A), independent de cantitatea de glucozo-6fosfat; alta slab activ (B) dependent de concentraia de glucozo-6-fosfat. Activarea glicogen-sintetazei B n glicogen-sintetaz A se face graie unei sintetaz-fosfataze (fig.14).

Formarea ramificaiilor 1-6 se face sub aciunea enzimei de ramificaie: 1-4 1-6 transglucozidaz. Cnd lanul principal atinge 10 uniti glucozil-1-4, un fragment de cca. 7 uniti este transferat pe poziia 6 a unor uniti pentru a forma un lan lateral.

Fig.14. Schema biosintezei glicogenului (n lanul de sus prezint

i o ramificaie de tip 1-6) (38)

2.9.4. NeoglucogenezaCnd metaboliii energetici circulani sunt n exces, depind nevoile de moment ale organismului, o parte din intermediarii glucidici, dar i din intermediarii lipidici i proteici sunt transformai n glucoz i depozitai sub form de glicogen. Evident, sinteza glucozei poate porni de la fructoz i galactoz, dup ce acestea sunt n prealabil transformate n fructozo-1-fosfat sau fructozo-6-fosfat sau n galactozo-1-fosfat.

Acidul lactic este unul din principalii intermediari glucidici reconvertii eficient n glicogen la nivelul ficatului. Transformarea are loc pe calea ciclului Cori. Acidul lactic produs n muchi sau n hematii este adus pe calea circulaiei portale la ficat, unde va duce n final, la formare de glicogen (fig.15). i ali intermediari glucidici ca acidul piruvic, dioxiacetona, gliceraldehida etc. pot i ei s participe, ntr-o msur mai limitat, la sinteza de glicogen.

Ficat

Snge

Muchi i hematii

Glucoz

Glicogen

Glicogen

Glucoz

Glucoz

Acid lactic

Fig.15. Ciclul Cori de transformare a acidului lactic n glicogen (38)

Neoglucogeneza din proteine este un proces important prin intermediul cruia aminoacizii glucoformatori (glicocolul, alanina, serina, cistina, acidul aspartic, acidul glutamic, ornitina, prolina, hidroxiprolina, treonina, valina i arginina) pot fi transformai n final, n molecula de glucoz. Toi aminoacizii glucoformatori (fig.16), cu excepia prolinei i oxiprolinei sunt aminoacizi cu lanuri drepte.

Valoarea glucogenetic a proteinelor este proporional cu coninutul lor n aminoacizi glucoformatori (80% pentru gliadin, 48% pentru casein etc.). Din 100 g proteine se pot forma 58 g glucoz. Aceast transformare este neeconomicoas din punct de vedere biologic, motiv pentru care, n mod obinuit, ea se desfoar numai n anumite situaii. Transformarea proteinelor n glucoz, apoi n glicogen se datorete faptului c aminoacizii glucoformatori produc prin dezaminare, cetoacizi. Un rol cantitativ important n mecanismul de transformare aminoacizi-glucoz, este jucat de ciclul alanin-glucoz.

Fig.16. Substraturile neoglucidice pentru neoglucogenez, inclusiv ciclul alanin-glucoz (38)

Neoglucogeneza din lipide are loc indirect, prin preluarea unor fragmente din unele molecule lipidice i ncorporarea lor n glucoz i apoi n glicogen. Hrnirea animalelor cu acizi grai marcai face ca o parte din glicogenul hepatic s conin atomi marcai.

2.9.5. GlicogenolizaDesfacerea glicogenului hepatic i eliberarea glucozei, cu trecerea sa n circulaie, reprezint unul dintre cele mai importante mecanisme homeostatice prin care se previne instalarea hipoglicemiei. De menionat c rolul homeostatic al glicogenului se refer numai la fraciunea sa hepatic. Glicogenul muscular, care i el elibereaz glucoz, nu particip la corectarea hipoglicemiei sistemice, glucoza eliberat fiind utilizat numai local.

Enzima care mediaz desfacerea moleculelor de glucoz din lanul glicogenului este fosforilaza. Procesul necesit adaos de fosfat anorganic. Ea acioneaz numai la captul lanului glicogenic, pe care l scurteaz progresiv cu cte o molecul de glucoz. Ele sunt active numai pe poriunea linear a polimerului, pn la punctul de ramificaie. Desfacerea legturilor 1-6 necesit prezena enzimei de deramificare, care elibereaz molecula de glucoz de la intersecie, fcnd posibil aciunea n continuare a fosforilazei. ntruct fosforilaza adaug o molecul de fosfat glucozei, aceasta va aprea sub form de glucozo-1-fosfat. Enzima de deramificare va elibera glucoz nefosforilat, n raport de 1:10 fa de cea fosforilat.

Molecula de glucozo-1-fosfat format, poate fi reconvertit n glucozo-6-fosfat, urmnd cile de metabolizare menionate mai nainte. Pentru ca glucoza eliberat s poat fi utilizat n alte esuturi, glucozo-6-fosfat trebuie hidrolizat la glucoz liber, singura care poate trece n circulaie.

Glicogenoliza se afl sub control complex fizico-chimic, hormonal i nervos. Glucagonul (mai ales n ficat) i catecolaminele (mai ales n muchi) sunt printre cei mai puternici stimulatori ai glicogenolizei.

Glicogenozele, caracterizate prin acumularea patologic de glicogen n ficat, se manifest printre altele prin hipoglicemie, ntruct mecanismele glicogenolitice sunt profund afectate:

- Glicogenoza de tip I (boala von Gierke) este dat de un deficit n glucozo-6-fosfataz;

- Glicogenoza de tip II (boala Pompe) este dat de un deficit al enzimei lizozomale;

- Glicogenoza de tip III (Gori) este dat de un deficit n enzima de deramificare;

- Glicogenoza de tip IV (Anderson) este dat de un deficit n enzima de ramificare;

- Glicogenoza de tip V (Mac Ardle) este dat de un deficit n fosoforilaza muscular;

- Glicogenoza de tip VI (Hers) este dat de un deficit n fosforilaza hepatic.

3. Metabolismul lipidic3.1. IntroducereRelaia metabolismului lipidic cu diabetul zaharat (DM - Diabetes Mellitus) este complex i trebuie s in seama de urmtoarele considerente (38):

1. Anomaliile lipidice (dislipidemiile) se ntlnesc practic la toi pacienii diabetici. Chiar i atunci cnd concentraia plasmatic a lipidelor totale sau a diferitelor fraciuni lipidice i lipoproteinice este normal se constat existena unor modificri chimice i de compoziie a acestora, de cele mai multe ori cu potenial aterogen. Aceste anomalii explic incidena crescut a complicaiilor vasculare la pacienii diabetici.

2. Obezitatea, aparent cea mai frecvent tulburare a metabolismului lipidic, se ntlnete n proporie de pn la 80% din cazurile de T2DM.

3. Eliberarea acizilor grai din esutul adipos poate induce un grad de insulinorezisten la nivelul ficatului i esutului muscular prin competiie cu metabolizarea glucozei. Excesul de acizi grai liberi (AGL) inhib utilizarea periferic a glucozei, stimulnd secreia insulinic. Se pare c n T2DM, AGL nu stimuleaz suficient secreia de insulin necesar utilizrii lor intra-hepatice astfel nct concentraia lor plasmatic extra-hepatic este crescut, intrnd n competiie cu glucoza n esuturile periferice. O serie de studii prospective au artat existena unei corelaii pozitive ntre concentraia plasmatic a AGL i apariia T2DM. Astfel, concentraia plasmatic a AGL poate fi considerat un factor predictor pentru apariia diabetului zaharat insulino-independent. De menionat ns faptul c insulinorezistena, produs de lipoliza tisular crescut, poate fi mai mare dect o sugereaz concentraia plasmatic a AGL, o parte a acestora fiind utilizat n esuturi n locul glucozei i astfel nu mai ajunge n circulaie.

4. Secreia de insulin i rezistena periferic la aciunea insulinei sunt semnificativ influenate de unele fraciuni lipidice: AGL, trigliceridele (TG) i corpii cetonici (CC). Deficiena de insulin se poate manifesta nu numai prin creterea glucozei sanguine ci i prin creterea AGL.

3.2. Definiia lipidelorLipidele sunt un grup heterogen de substane care se aseamn prin caractere comune de solubilitate, fiind greu solubile n ap dar uor dizolvabile n solveni nepolari (eteri, benzen, cloroform etc) (18, 31, 65). Aceast nsuire este datorat prezenei n moleculele lipidelor a unor ntinse regiuni hidrocarbonate, hidrofobe.

3.3. Rolurile lipidelor

Lipidele ndeplinesc urmtoarele roluri eseniale (1, 18, 23, 61, 62):1. sunt principala form de transport i depozitare a rezervelor energetice ale organismului. Un gram de lipide elibereaz 9,3 calorii. Trigliceridele conin de 2,5 ori mai mult energie dect glicogenul (forma de depozit a glucidelor) la aceeai greutate. Mai mult, trigliceridele pot fi stocate ca lipide pure, fr ap, n timp ce glicogenul, hidrofil, conine o cantitate de ap egal cu de dou ori greutatea lui. n concluzie, trigliceridele ofer, la aceeai greutate, de 4 ori mai mult energie dect glicogenul.

2. au rol plastic formator, intrnd n structura membranelor celulare i intracelulare sub forma unor lipide complexe.

3. unele lipide au roluri importante n procesele de comunicare/semnalizare i recunoatere intercelular.

4. sunt vitamine, hormoni, prostanoide.

5. sunt izolatori electrici (de unde bogia lor n teaca de mielin i n toate membranele celulare ce delimiteaz spaii cu potenial electric diferit)0, termici i mecanici.

6. unele structuri lipidice au rol n desfurarea diferitelor procese metabolice, de exemplu: stimularea activitii unor enzime (exemplu: citocromoxidaza sau succinat dehidrogenaza), solubilizarea i absorbia vitaminelor liposolubile.

3.4. Clasificarea lipidelorNatura chimic a lipidelor este foarte variat.

Pornind de la comportamentul la hidroliz, lipidele se pot clasifica n: saponificabile i nesaponificabile (18, 23, 65).

Lipidele saponificabile sunt compui care cuprind acizi grai legai esteric sau amidic i care prin hidroliz se descompun n substanele componente.

Principalele grupe de lipide saponificabile sunt: acilglicerolii sau gliceridele (cel mai frecvente fiind trigliceridele), fosfogliceridele sau fosfatidele, sfingolipidele i cerurile (ceridele).

Lipidele nesaponificabile sunt reprezentate de diverse categorii de compui, hidrocarburi superioare i derivai oxigenai ai acestora, care nu sunt scindate hidrolitic n compui simpli.

Lipidele nesaponificabile sunt n genere hidrocarburi, alcooli, aldehide, acizi care cuprind schelete alifatice sau ciclice cu structur poliizoprenic: terpene, carotenoizi, steroizi.

Unele lipide sunt asociate cu proteine (apoproteine) i alctuiesc lipoproteinele, altele cu glucide i dau natere la glicolipide.

3.5. Chimia lipidelorn cele ce urmeaz vom prezenta structura i proprietile fizice i chimice a ctorva tipuri de fraciuni lipidice (18, 23, 31, 65), cu importan major n fiziopatologia dislipidemiilor.

3.5.1. Acizii grai (AG)

Sunt componeni ai majoritii lipidelor saponificabile.

Clasificarea AG se face n funcie de urmtoarele criterii: numrul de grupri carboxil, tipul catenei alifatice (ciclic sau aciclic), gradul de nesaturare (numr de legturi duble) i numrul de atomi de carbon, (lan scurt: 4-6 atomi de carbon, lan mediu: 8-12 atomi de carbon i lan lung: (12 atomi de carbon). Cei mai rspndii AG sunt acizii monocarboxilici alifatici cu caten normal saturat sau nesaturat cu numr par de atomi de carbon (de la 4 la 26).

Formula general a AG este:

- pentru AG saturai: CH3 (CH2)n COOH,

- pentru AG nesaturai: Cn:m,

unde n = numrul de atomi de carbon din AG;

m = poziia dublei (sau a dublelor) legturi din AG.

Proprietile fizice mai importante ale AG sunt:

- stare de agregare lichid (AG nesaturai i AG saturai pn la C8) sau solid, cristalin (restul);

- n cristale, catenele hidrocarbonate saturate au configuraie n zig-zag i sunt aezate paralel;

- AG nesaturai prezint izomerie cis-trans (formele naturale sunt izomerii cis); nesaturarea AG este un element de reglare a fluiditii lipidelor care i cuprind i, respectiv, a membranelor biologice;

- solubilitate mic n ap, care scade odat cu lungimea catenei hidrocarbonate.

Proprietile chimice ale AG sunt determinate de structur:

- gruprile carboxil particip la reacii de neutralizare (formnd sruri, spunuri, cu proprieti tensioactive), de esterificare (formnd esteri) i de amidare (formnd de exemplu sfingozide prin legare la sfingozin);

- dublele legturi particip la reacii de hidrogenare, halogenare i peroxidare.

Principalii AG saturai i nesaturai sunt enumerai n tabelul 3.1.

Tabel 3.1. Principalii AG saturai i nesaturai: denumire, numr atomi de carbon, numrul i poziia dublelor legturi

Denumire uzualNr. atomi de carbonNr. i poziia dublelor legturi

Palmitic160

Stearic180

Palmitoleic16

Oleic181 (9)

Linoleic182 (9, 12)

Linolenic183 (9, 12, 15)

Arahidonic204 (5, 8, 11, 14)

Eicosapentanoic205 (5, 8, 11, 14, 17)

Docosahexaenoic226 (4, 7, 10, 13, 16, 19)

3.5.2. AcilgliceroliiSunt lipidele cele mai abundente din natur. Sunt componentele principale ale grsimilor de rezerv din esuturi i ale grsimilor din lapte. n proporii variate se gsesc n lipoproteinele plasmatice.

Sunt esteri ai glicerolului (propantriol) cu acizi grai. Dup numrul gruprilor alcoolice din glicerol esterificate se mpart n monoacilgliceroli (monogliceride), diacilglceroli (digliceride) i triacilgliceroli (trigliceride).

Trigliceridele (TG) naturale exist ntr-o varietate foarte mare difereniindu-se att prin natura AG constitutivi ct i prin dispoziia lor n interiorul moleculei.

Trigliceridele din esutul adipos uman cuprind urmtorii AG (n procente de mas): acid oleic (45%), acid palmitic (25%), acid linoleic (8%), acid palmitoleic (7%), acid stearic (7%), ali acizi (8%).

Formula general a TG este: CH2OCOR1

CHOCOR2

CH2OCOR3,

unde R1, R2, R3 = radicalii alchil ai AG, de regul diferii.

Proprietile fizice mai importante ale TG sunt:

- starea de agregare diferit n funcie de compoziia n AG: cele bogate n AG inferiori sau nesaturai sunt lichide iar cele cu un coninut ridicat n AG saturai superiori sunt solide;

- densitate mai mic dect apa (0,96 g/cm3);

- solubilitate n ap absent.

Proprietile chimice mai importante ale TG sunt determinate de structur:

- gruparea carboxil particip n special la reacii de hidroliz;

- catenele hidrocarbonate nesaturate ale resturilor acil prezint proprietile specifice nesaturrii: hidrogenare, halogenare, peroxidare.

3.5.3. Fosfogliceridele

Aceast categorie de lipide cuprinde cele mai importante lipide structurale. n asociere cu proteine i alte lipide alctuiesc membranele celulare.

Substana de baz a acestor lipide este glicerol-fosfatul: CH2OHCHOHCH2OPO3H2, care este esterificat cu dou resturi acil (de regul diferite) constituind acizii fosfatidici.

De la acizii fosfatidici, prin legarea grupei fosforil la diveri alcooli rezult fosfogliceridele: fosfatidilcoline, fosfatidiletanolamine, fosfatidilserine, fosfatidilinozitoli, fosfatidilgliceroli.

Fosfatidilcolinele (lecitinele), cele mai abundente fosfolipide, se formeaz prin legarea restului fosfatidil la colin.

Formula general a unei lecitine este:

CH2 O CO R1

(R2 CO O CH

(

CH2OPO-3 CH2 CH2 N+(CH3)3unde R1 este de regul saturat iar R2 nesaturat, provenind adesea din acid linoleic sau arahidonic.

Aceast structur confer lecitinelor cteva proprieti importante:

- resturile acil nesaturate le fac foarte sensibile la procesul de peroxidare;

- sarcina negativ a restului fosforil i sarcina pozitiv a gruprii cuaternare de amoniu le confer structur de amfioni (bipolar);

- prezena resturilor acil hidrofobe i a sarcinilor electrice pozitiv i negativ le confer caracter amfipatic i proprieti tensioactive puternice. n ap lecitinele se dizolv formnd agregate numite micelii, alctuite din dou straturi lipidice; acest dublu strat lipidic este stabilizat prin forele van der Waals dintre catenele hidrocarbonate ale resturilor acil hidrofobe aranjate paralel i dispuse spre interior i, pe de alt parte, prin interaciunile electrostatice dintre moleculele polare dispuse spre exterior. Asocierea spontan a lipidelor amfipatice sub form de bistraturi st la baza formrii membranelor biologice cu o structur dublu lipidic.

Derivaii lecitinelor care cuprind un rest acil mai puin se numesc lizolecitine i au proprieti tensioactive mai puternice dect ale lecitinelor.

3.5.4. Steroizii

Sunt derivai ai unei hidrocarburi ipotetice denumit steran (ciclopentanoperhidrofenantren) (18) care cuprinde trei nuclee ciclohexanice i unul ciclopentanic condensate.

Diverii steroizi difer ntre ei prin grupri funcionale i catene laterale grefate pe nucleul steranic, prin prezena unor duble legturi i prin existena unui numr foarte mare de stereoizomeri.

Sterolii sunt alcooli steroidici prezeni n toate organismele vii.

Colesterolul este cel mai important sterol din regnul animal, fiind un component esenial al tuturor structurilor membranare lipoproteice.

Este un steroid C27 cu urmtoarea formul general (18):

n organism se gsete fie ca alcool liber, fie esterificat cu AG (acilcolesterol).

Colesterolul este o substan alb, solid, insolubil n ap, cu caracter hidrofob pronunat.

Esterii de colesterol sunt printre cei mai hidrofobi constitueni celulari.

Acizii biliari sunt componeni ai bilei. La pH-ul alcalin al bilei se gsesc sub form de sruri biliare.

Se formeaz din colesterol, fiind derivai hidroxilai ai unui acid ipotetic acidul colanic (C24).

Sunt trei acizi biliari: acidul chenodezoxicolic, acidul dezoxicolic i acidul litocolic.

Acetia se conjug n bil, sub form de amide, cu glicocolul sau cu taurina formnd acizi biliari conjugai care, la pH-ul bilei, se afl tot sub form de sruri.

Acizii biliari (liberi sau conjugai) au proprieti unice de solubilitate (18). Gruprile hidroxilice polare i gruprile cu sarcin negativ (carboxil i sulfhidril) le confer caracter hidrofil iar nucleul steranic este hidrofob. Interaciunea cu apa i cu alte lipide se face ntr-un mod particular: se dizolv n ap formnd soluii micelare prin agregarea unui numr mic de molecule iar n prezena altor lipide formeaz micelii mixte (sruri biliare lipide) care au capacitatea de a solubiliza i alte categorii de lipide.

3.6. Aportul, digestia i absoria lipidelorn mod obinuit, lipidele asigur 25-35% din aportul caloric din diet, reprezentnd circa 80-100 g pentru adultul normoponderal (38). Un procent de lipide mai mare n diet poate fi acceptat la persoanele care depun o activitate fizic foarte mare (>3500 kcal/zi). La persoanele sedentare ns (din ce n ce mai numeroase) a cror aport caloric este mai mic de 2500 kcal/zi, aportul de lipide nu trebuie s depeasc 30% din totalul caloric.

Trigliceridele reprezint principalele componente lipidice ale raiei alimentare (aproximativ 90%) dup care urmeaz fosfolipidele, colesterolul liber i esterificat (circa 500 mg/zi).

Dei exist acizi grai polinesaturai care nu pot fi sintetizai n organism (numii acizi grai eseniali) o caren alimentar este imposibil deoarece acizii grai se gsesc n cantiti suficiente n numeroase alimente de origine animal i vegetal.

Digestia lipidelor este un proces complex, care necesit pe lng degradarea lor hidrolitic i solubilizarea i meninerea ntr-un mediu apos a unor substane hidrofobe (18, 31), rolul esenial n acest sens revenind srurilor biliare.

Dei cantiti minime de lipide pot fi digerate n stomac, digestia lipidelor se desfoar esenial (n procent de 95-99%) (18, 23, 31, 62) n intestinul subire, n principal sub influena lipazei pancreatice.

Prima etap n digestia lipidelor este emulsionarea lor de ctre srurile biliare, proces obligatoriu care permite aciunea ulterioar a enzimelor digestive (fig.17). LUMEN

ENTEROCIT

LIMF

Fig.17. Digestia i absorbia lipidelor (38)

Sub influena lipazei pancreatice, cea mai mare parte a lipidelor sunt scindate hidrolitic n monogliceride i acizi grai. Pe msur ce se formeaz, aceti produi ajung i se dizolv n poriunea lipidic a miceliilor srurilor biliare, prin intermediul crora sunt transportai la nivelul celulei epiteliale intestinale.

Dup ptrunderea n celula epitelial intestinal, acizii grai i monogliceridele sunt recombinate n cea mai mare parte pentru a reface trigliceride i, ntr-o mai mic msur, sunt digerate mai departe pn la acizi grai liberi i glicerol sub aciunea lipazei intestinale.

Odat refcute, trigliceridele se agreg sub forma unor particule sferice care mai conin, alturi de colesterolul i fosfolipidele exogene (absorbite din lumen), i cantiti mici de apoproteine, fosfolipide i colesterol endogene (sintetizate n intestin). Aceste particule se numesc chilomicroni i sunt eliberate n limf.

Colesterolul liber i esterificat prezent n lumenul intestinal provine din trei surse: din alimente (aproximativ 500 g/zi), din bil i din descuamaiile mucoasei intestinale. Esterii colesterolului sunt hidrolizai sub aciunea colesterol esterazei pancreatice iar colesterolul liber este incorporat n micelii. n final, aproximativ 300 mg din colesterolul micelar este absorbit n enterocit, unde este reesterificat parial i particip la sinteza chilomicronilor.

Srurile biliare rmn n lumen participnd la solubilizarea i transportul altor molecule lipidice. Abia n poriunea distal a ileonului srurile biliare ajung n ficat i dup unele remanieri ajung din nou n bil i intestin (circuit entero-hepatic).

O cantitate mic din produii digestiei intestinale a lipidelor ptrund n organism prin sistemul portal hepatic. Acetia sunt acizi grai inferiori (C4, C6).

3.7. Stocarea lipidelorCantiti mari de grsime sunt stocate n dou esuturi din organism: esutul adipos i ficatul.

Funciile principale ale ficatului n ceea ce privete metabolismul lipidelor sunt: (1) desfacerea acizilor grai n compui ce pot fi utilizai ca surs energetic; (2) sinteza de tigliceride n principal din glucide i ntr-o msur mai mic din proteine i (3) sinteza altor lipide din acizi grai, n special colesterol i fosfolipide. Pentru colesterol, ficatul reprezint att locul de sintez ct i de tranzit n vederea excreiei. Materia prim pentru sinteza colesterolului este acetil-CoA iar enzima cheie este hidroxi-metil-glutaril-coenzima A reductaza (HMG-CoA reductaza), a crui activitate este inhibat chiar de produsul final al cii metabolice colesterolul (fig.18) (18, 31).

n diabetul zaharat tip 2 cu hiperinsulinism, la debutul bolii, pacientul prezint frecvent hepatomegalie, prin ncrcare gras, obiectivabil clinic i ecografic. Bioptic, depozitele de grsime sunt impresionante i scad n mare msur prin optimizarea controlului glicemic. Mecanismul acestei tulburri ine de profunda deviere a fenomenelor metabolice fiziologice (38).

esutul adipos este adesea denumit depozitul de grsime, sau grsimea de rezerv. Celulele adipoase sunt fibroblati modificai, capabili s stocheze trigliceridele pure n proporie de pn la 80-95% din volumul lor. Depozitele de trigliceride sufer un proces continuu de remaniere, timpul de njumtire fiind de 2-3 zile. Celule adipoase pot, de asemenea, s sintetizeze cantiti foarte mici de acizi grai i trigliceride din glucide, aceast funcie suplimentnd-o pe cea de sintez hepatocitar.

Catabolismul trigliceridelor la acizi grai implic tot un proces de hidroliz mediat de lipazele adipocitare. n mod obinuit, meninerea constant i n limite normale a depozitelor grsoase se datoreaz unui echilibru ntre sinteza i hidroliza trigliceridelor.

Acizii grai plasmatici reprezint un substrat important pentru musculatura scheletic. n statusul postabsortiv, preluarea acizilor grai este crescut la nivelul muchiului scheletic, oxidarea lipidelor fiind substratul produciei energetice. Echilibrul dintre oxidarea i reesterificarea acizilor grai este factorul determinant al depozitului lipidic intramiocitar. S-a constatat c preluarea scheletic a acizilor grai este un proces modulat de proteinele de legare a acizilor grai (FABPs-fatty acid binding proteins). Rmne de stabilit mecanismul prin care aceste proteine transportoare contribuie la creterea cantitii de trigliceride intramiocitare la pacienii obezi i diabetici tip 2 (44).

2 acetil-CoA

HMG CoA

Mevalonat

Scualen Colesterol

Fig.18. Sinteza colesterolului reprezentare schematic

3.8. Formele de transport ale lipidelor3.8.1. ClasificareTransportul lipidelor exogene i a celor sintetizate n organism la locurile de depozitare i apoi redistribuia lor ctre diferite organe i esuturi presupune un flux plasmatic continuu. Lipidele, fiind hidrofobe, pentru a putea fi transportate n plasm se leag de proteine constituind complexe numite lipoproteine (1, 18, 62, 63, 65).Lipoproteinele existente n plasm pot fi separate prin ultracentrifugare, metod bazat pe diferenele de densitate ntre diversele fraciuni lipoproteinice, determinate de coninutul lor n lipide i proteine.

Astfel, au fost identificate 5 clase majore de lipoproteine (fig.19):

1. chilomicroni;

2. lipoproteine cu densitate foarte mic (Very Low Density Lipoprotein, VLDL);

3. lipoproteine cu densitate intermediar (Intermediate Density Lipoprotein, IDL);

4. lipoproteine cu densitate mic (Low Density Lipoprotein, LDL);

5. lipoproteine cu densitate mare (High Density Lipoprotein, HDL).

CHILOMICRONI VLDL

IDL LDL HDL

VLDL

V1

V2

V3

V4

V5

V6((nm)

150707010 5010 3810