Sensori nutrizionali: adattamento metabolico

Sensori Nutrizionali Principali

• Gli organismi hanno sviluppato meccanismi per adattare le vie metaboliche alle condizioni nutrizionali e fisiologiche
• Il metabolismo delle cellule varia tra l'uso di glucidi e grassi come substrati energetici principali
• La "flessibilità metabolica" (switch) è fondamentale per la salute metabolica e si è evoluta naturalmente

Sensori Nutrizionali

• I sensori nutrizionali rilevano cambiamenti nella disponibilità di nutrienti e nella carica energetica
• Essi attivano risposte metaboliche specifiche a livello sistemico e cellulare

Principali tipi di sensori nutrizionali:

• Sensori della carica energetica (AMPK)
• Sensori della condizione di digiuno (FGF21, SIRTUINE, PGC-1a)
• Sensori della componente lipidica (PPARs)
• Sensori dello stato di abbondanza energetica (mTOR)
• Sensori di stimoli proliferativi (via INS/IGF1)
• Sensori dello stato degli adipociti (adipocitochine)
• Sensori del bilancio energetico

Regolazione della salute metabolica a livello molecolare

• Gli interventi nutrizionali specifici, restrizione calorica ed esercizio fisico influenzano positivamente la durata della vita e riducono le patologie legate all'età

Meccanismi molecolari indotti dalla riduzione dell'apporto calorico

• A livello sistemico, si osserva una diminuzione dei livelli di insulina e un aumento di glucagone, glucocorticoidi e FGF21
• A livello tissutale, si verificano modificazioni nel rilascio di adipocitochine, come l'aumento di adiponectina e la riduzione di leptina
• A livello biochimico/metabolico, si ha una riduzione delle riserve di glicogeno, inibizione della glicolisi, mobilizzazione dei lipidi, stimolazione del catabolismo ossidativo degli acidi grassi e chetogenesi
• A livello molecolare, aumenta l'espressione e l'attività di proteine regolatorie, come PPARs, PGC-1α, FOXO e sirtuine; varia anche la localizzazione di fattori di trascrizione e intermedi metabolici

Risposta metabolica adattativa

• Le modificazioni stimolano una risposta metabolica adattiva influenzata dalla disponibilità di macronutrienti, attività fisica e rapporti NAD+/NADH e AMP/ATP
• A livello biochimico, la riduzione della glicolisi e l'aumento del catabolismo ossidativo degli acidi grassi sono favorevoli per la salute metabolica.

Ulteriori fattori che influenzano positivamente la salute metabolica

• L'attività fisica
• La riduzione dell'intake di macronutrienti specifici (amminoacidi o acidi grassi saturi)
• Un aumento dell'apporto di altri nutrienti (acidi grassi polinsaturi w-3, fibra o composti bioattivi vegetali) tramite interazione con sensori nutrizionali

Esempi di correlazioni nutrienti-stato di salute metabolica:

• Restrizione calorica e AMPK portano a metabolismo ossidativo, efficienza metabolica e riduzione della glicolisi
• L'Esercizio, Sirtuine, PGC 1-a, FOXO portano a riparazione del DNA, biogenesi mitocondriale, resistenza agli stress, difesa antiossidante e autofagia
• Interventi nutrizionali e diminuzione di mTOR portano a Proteostasi
• Diminuzione di INS/IGF portano a diminuzione della proliferazione di cellule, stimoli di crescita ed infiammazioni

Sensori regolatori della carica energetica cellulare

• AMPK e sirtuine (specialmente SIRT1) sono sensori cellulari della carica energetica.
• Essi adattano le funzioni cellulari per assicurare il bilancio energetico metabolico

AMPK e Sirtuine sono attivati

• Da bassa carica energetica cellulare
• Cioè quando aumentano i rapporti AMP/ATP e NAD+/NADH
• Azione di AMPK e SIRT1 converge sulla stimolazione del coattivatore trascrizionale PGC-1α

AMPK (Adenosine Monophosphate Activated Protein Kinase)

• E' una serina/treonina chinasi che funge da sensore energetico intracellulare
• Viene attivata da LKB-1 quando il rapporto AMP/ATP aumenta all'interno della cellula
• Inibisce i processi metabolici che consumano ATP
• Favorisce quelli catabolici che portano alla sua generazione
• Mantiene l'omeostasi energetica cellulare

Attività di AMPK è stimolata da

• Esercizio fisico, digiuno
• Acidi grassi polinsaturi, leptina e adiponectina
• Composti bioattivi nutraceutici (resveratrolo)
• Farmaci (metformina, per il diabete di tipo 2)
• Agisce principalmente sul muscolo scheletrico e sul fegato

AMPK nel fegato

• Fosforila e inattiva l'enzima citosolico acetil-CoA carbossilasi
• Blocca la carbossilazione dell'acetil-CoA a malonil-CoA (intermedio della biosintesi degli acidi grassi)
• Malonil CoA inibisce CPT1 (carnitina palmitoil-transferasi 1)
• L'effetto dell'AMPK si traduce in un calo dei livelli di malonil-CoA e aumento del trasferimento di acidi grassi nella matrice mitocondriale
• Favorisce la β-ossidazione

AMPK A livello epatico, riduce

• La gluconeogenesi reprimendo la trascrizione di geni chiave come glucosio-6-fosfatasi e fosfoenolpiruvico carbossichinasi

AMPK nel muscolo:

• Favorisce il trasporto di acidi grassi all'interno della cellula e la glicolisi
• Stimola l'esocitosi delle vescicole contenenti trasportatori di glucosio GLUT4 sulla membrana del miocita
• L'aumento dei livelli di AMPK è protettivo per il diabete
• Previene la lipotossicità e resistenza all'insulina
• Migliora l'omeostasi glicemica
• Riduce lo stress ossidativo e l'infiammazione

AMPK e attività fisica:

• L'attività fisica, in particolare aerobica di endurance, attiva l'AMPK favorendo la biogenesi mitocondriale
• L'effetto è più evidente quando l'attività fisica è praticata lontano dei pasti

AMPK e autofagia:

• L'AMPK regola il processo di autofagia tramite la fosforilazione di ULK-1
• Favorisce la formazione degli autofagosomi, che contengono costituenti cellulari danneggiati destinati alla degradazione e al riciclo
• L'AMPK, insieme a sirtuine, FOXO e PGC-1a, media una via di trasduzione cellulare protettiva che può migliorare la durata della vita

Sirtuine:

• Rappresentano una famiglia di deacetilasi (7 membri) conservate nell'evoluzione
• Considerate "markers di salute metabolica"
• Regolate a livello trascrizionale dalla via proteina chinasi A (PKA)-CREB attivate da AMPK, in relazione allo stato energetico della cellula
• Attivate da un aumento dei livelli di NAD+ citosolico
• Lo switch da glicolisi a respirazione aerobica aumenta il rapporto NAD+/NADH citosolico, attivando SIRT1 e SIRT3
• Queste forme di sirtuine sono correlate tra loro e ampiamente studiate

Meccanismo d'azione delle sirtuine

• Rimozione di residui acetilici da substrati (istoni, fattori di trascrizione, enzimi) e loro inserimento su un gruppo ADP-ribosio del NAD+
• Tramite deacetilazione di proteine istoniche, le sirtuine rimodellano la cromatina favorendo il silenziamento genico
• Mediante la deacetilazione di fattori di trascrizione ed enzimi, controllano metabolismo e altri processi fondamentali per la salute cellulare

Funzione protettiva delle sirtuine

• Legata alla deacetilazione e attivazione di PGC-1α (regolatore della biogenesi mitocondriale)
• Fattore di trascrizione FOXO (difesa antiossidante, tramite sintesi della superossido dismutasi)
• Resistenza agli stress
• Riparazione del DNA
• Autofagia

Azioni delle sirtuine:

• Attivano l'enzima ossido nitrico sintasi endoteliale (eNOS)
• Inibiscono il fattore di trascrizione NF-kB (nuclear factor kB)
• Controllano l'efficienza del metabolismo ossidativo
• Proteggono dall'infiammazione
• Svolgono ruoli fondamentali nei processi cellulari per la salute cellulare

Sirtuine ed affinità

• Aumentata da molecole vegetali nutraceutiche come avoni, stilbeni, calconi, antocianidine
• Polifenoli come quercetina, curcumina, catechine e resveratrolo
• Resveratrolo è il primo composto nutraceutico studiato
• Studi sono tuttora in corso sulle correlazioni in vivo tra la sua somministrazione, l'attivazione delle sirtuine e la longevità

Effetti del resveratrolo

• Nei mammiferi, non prolunga la durata totale della vita (lifespan)
• Può migliorare la durata della vita in salute(healthspan)
• Funziona da protezione da patologie legate all'età e all'obesità

PGC-1α

• È un coattivatore di fattori di trascrizione come i PPARs e FOXO
• Promuove biogenesi mitocondriale e respirazione cellulare
• Come coattivatore di PPARα/δ, induce la sintesi degli enzimi per la β-ossidazione e chetogenesi
• Funziona anche da fattore di trascrizione
• Induce alcuni fattori di trascrizione che coattiva, amplificando le funzioni biochimiche

Azioni principali di PGC-1α

• Ottimizza la "performance" mitocondriale
• Induce la sintesi di enzimi del ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa
• L'attivazione porta alla completa ossidazione degli acidi grassi a CO2 e H2O, evento cruciale per la salute metabolica
• Per la "salute metabolica" è necessario che, se c'è un efficiente B-ossidazione, gli acetil-CoA siano completamente convogliati nel ciclo di Krebs

PGC-1α ed esercizio fisico

• Mediatore biochimico che spiega i benefici fisici di endurance
• Effetti dell'esercizio fisico e azione ormetica dei radicali liberi che rende conto di diversi effetti
• Importante per la salute metabolica ed attività mitocondriale
• Coattivatore principale correlato all'healthspan

Componente lipidica, i PPARs

• I sensori nutrizionali della componente lipidica sono i PPARs (recettori di attivatori della proliferazione dei perossisomi)
• Sono recettori nucleari appartenenti alla superfamiglia dei recettori per gli ormoni steroidei
• Modulano il metabolismo lipidico tramite acidi grassi

PPARS sono presenti

• Nel nucleo associati al DNA in forma di eterodimeri
• Recettori RXR dell'acido retinoico
• Gli eterodimeri PPAR-RXR interagiscono con specifici elementi di risposta, PPRE (PPAR-responsive elements) costituiti da sequenze esameriche (di basi) dirette ripetute
• "AGGTCAnAGGTCA"
• Separate da un solo nucleotide spaziatore

PPARS e ligando

• In assenza di ligando, l'attività trascrizionale del dimero è bloccata dall'interazione con corepressori
• L'arrivo del ligando di PPAR favorisce l'interazione con il coattivatore specifico, PGC-1a
• PGC-1a induce il reclutamento di cofattori dotati di attività istone transacetilasica (CBP/P300 e SRC)
• Favorisce il rimodellamento della cromatina e l'inizio del processo di trascrizione

Isoforme PPARs

• PPARα
• PPARβ/δ
• PPARY

Tutte le Isoforme

• Fanno la dimerizzazione con recettore X per acido retinoico (RXR)
• In corrispondenza dei PPRE
• Complesso attivo nella trascrizione dei geni bersaglio solo in presenza di ligando e coattivatore PGC-1α

PPARα

• Espresso nei tessuti metabolicamente attivi, in particolare nel fegato
• Ruolo fondamentale che porta allo switch metabolico da glucosio ad acidi grassi come fonti di energia a causa del digiuno
• Induce geni di enzimi per il trasporto e ossidazione acidi grassi e per la chetogenesi
• Favorisce la trascrizione degli enzimi carnitina-palmitoil-transferasi (CPT-1), acil-CoA sintasi, acil-CoA deidrogenasi, idrossimetilglutaril-CoA sintasi (HMG CoA sintasi) e piruvato deidrogenasi chinasi 4 (PDK4

PPARα e acidi grassi

• La PDK4 inibisce la piruvico deidrogenasi bloccando la glicolisi
• Fornisce acidi grassi per la beta ossidazione
• Condizione di digiuno indirizza acido piruvico al gluconeogenesi

PPARβ/δ

• Isoforma ubiquitaria, espressa soprattutto nel muscolo scheletrico
• Ruolo importante nell'adattamento del muscolo all'esercizio endurance-training
• Passaggio da glucosio ad acidi grassi contribuisce all'ossidazione
• Effetto principale PPARδ induce trascrizione degli enzimi coinvolti inossidazione acidi grassi
• PPARb/8 trascrive per PGC-1α e FOXO, PGC-1α favorisce biogenesi ed atività dei mitocondri
• Mentre FOXO salvaguarda sia mantenimento e sopravvivenza, che la resistenza agli stress del miocita
• Oltre ad indurre il processo autofagico di "controllo qualità"

PPARβ/δ e Glutatione

• Tramite FOXO promuove termogenesi, agendo sulla proteina UCP per stress ossidativo
• Attraverso superossido dismutasi va a neutralizzare il radicale superossido
• Si trasforma in acqua ossigenata e poi in glutatione peossidasi per trasformarla in acqua

PPARY

• È espresso principalmente nel tessuto adiposo
• Contrariamente alle altre isoforme, è più attivo nella condizione fed (nutrita)
• Il suo ruolo consiste nella regolazione dei depositi lipidici
• Promuove la capacità del tessuto adiposo di "tamponare" un aumento della lipemia
• Riduce il rischio di una deposizione ectopica di acidi grassi in altri organi

PPARg e Uptake

• L'attivazione di PPARg produce l'adipogenesi, ovvero la stimolazione del differenziamento degli andipociti bianchi e la sintesi di andiponectina da parte dei "nuovi" piccoli andipociti
• Stimolazione di PPARY determina attivazione di geni per enzimi implicati in uptake e immagazzinamento lipidi
• Questi enzimi sono, lipoproteina lipasi (LPL), la acil-CoA sintasi, la fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK).