Sensori Nutrizionali PDF
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Università San Raffaele, Roma
Sara Baldelli
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This document is a lecture on nutritional sensors, covering topics such as metabolic health regulation, molecular mechanisms, and cellular energy charge. The document was delivered at the University San Raffaele, Roma.
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Docente Sara Baldelli Lezione Sensori Nutrizionali Sara Baldelli Principali sensori nutrizionali Gli organismi superiori hanno sviluppato meccanismi omeostatici per "sentire" le futtuazioni di nutrienti...
Docente Sara Baldelli Lezione Sensori Nutrizionali Sara Baldelli Principali sensori nutrizionali Gli organismi superiori hanno sviluppato meccanismi omeostatici per "sentire" le futtuazioni di nutrienti e di energia ed adattare le vie metaboliche alle diverse condizioni nutrizionali e fsiologiche. Ci sono periodi in cui le cellule metabolizzano glucidi ed altri in cui i grassi rappresentano i substrati energetici principali. II passaggio da una “priorità” all’altra è alla base della “fessibilità metabolica”(switch), espressione di salute metabolica che si è perfettamente selezionata nel processo evolutivo. Sensori Nutrizionali 2 di 40 Sara Baldelli Principali sensori nutrizionali A tal proposito si sono sviluppati sensori nutrizionali in grado di avvertire cambiamenti della disponibilità di nutrienti e della carica energetica ed attivare specifiche risposte metaboliche sia a livello sistemico che a livello cellulare. Sensori Nutrizionali 3 di 40 Sara Baldelli Regolazione della salute metabolica: meccanismi molecolari Dal punto di vista molecolare i meccanismi attraverso i quali interventi nutrizionali specifici, come la restrizione calorica e l’esercizio fsico sono in grado di infuenzare la healthspan, in taluni casi anche di prolungare la lifespan e ridurre l’incidenza di patologie legate all’età, sono certamente complessi e sono tuttora oggetto di intensi studi. Sensori Nutrizionali 4 di 40 Sara Baldelli Meccanismi molecolari Ad esempio, una riduzione dell’apporto calorico induce importanti cambiamenti a livello: – sistemico: come una diminuzione dei livelli circolanti di insulina, aumento di quelli di glucagone, glucocorticoidi e, tardivamente, del fattore di crescita dei fbroblasti 21 (FGF21) Sensori Nutrizionali 5 di 40 Sara Baldelli Meccanismi molecolari – tissutale: modifcazioni del rilascio di adipocitochine (es. aumento di adiponectina e riduzione di leptina); – biochimico/metabolico: riduzione della riserva di glicogeno, inibizione della glicolisi, mobilizzazione dei lipidi, stimolazione del catabolismo ossidativo degli acidi grassi, chetogenesi; Sensori Nutrizionali 6 di 40 Sara Baldelli Meccanismi molecolari – molecolare: aumentata espressione e attività di proteine regolatorie, o sensori nutrizionali, come PPARs (recettori di attivatori della proliferazione dei perossisomi), PGC-1α (coatti- vatore 1αdel PPARγ), FOXO (Forkhead-box-O), sirtuine; variazione nella localizzazione di fattori di trascrizione (es. ChREBP o proteina che lega l'elemento di risposta ai carboidrati) e intermedi metabolici (es. Acetil-CoA). Sensori Nutrizionali 7 di 40 Sara Baldelli Meccanismi molecolari Tutte queste modifcazioni stimolano una risposta metabolica adattiva che è infuenzata dalla disponibilità di macronutrienti, quali specifci amminoacidi e/o acidi grassi, dall’attività fsica e dai rapporti NAD+/NADH e AMP/ATP della cellula. In generale, a livello biochimico la riduzione della glicolisi e l’aumento del catabolismo ossidativo degli acidi grassi e della respirazione mitocondriale sono eventi favorevoli per la salute metabolica. Sensori Nutrizionali 8 di 40 Sara Baldelli Meccanismi molecolari Analogamente, l’attività fisica, una riduzione dell’intake di taluni macronutrienti (amminoacidi o acidi grassi saturi), un aumento dell’apporto di altri nutrienti, (acidi grassi polinsaturi ω-3, fibra o composti bioattivi vegetali), tramite l’interazione con sensori nutrizionali, stimolano una risposta cellulare adattiva che migliora la salute metabolica dell’organismo. Sensori Nutrizionali 9 di 40 Sara Baldelli Sensori nutrizionali regolatori della carica energetica cellulare AMPK (Adenosine Monophosphate Activated Protein Kinase) e sirtuine (SIRTs in particolare SIRT1) sono sensori cellulari della carica energetica. Adattano le funzioni cellulari alle necessità dei tessuti al fine di assicurare il bilancio energetico metabolico. Sensori Nutrizionali 10 di 40 Sara Baldelli Sensori nutrizionali regolatori della carica energetica cellulare Sono attivati, quando la carica energetica cellulare è bassa, cioè quando aumentano rispettivamente i rapporti AMP/ATP e NAD+/NADH. L’azione di AMPK e SIRT1 converge sulla stimolazione del coattivatore trascrizionale PGC-1α (coattivatore 1 alpha del PPAR γ). Sensori Nutrizionali 11 di 40 Sara Baldelli AMPK L’AMPK è una serina/treonina chinasi che funge da sensore energetico intracellulare. Viene fosforilata e attivata da LKB-1 (Liver Kinase B-1) quando il rapporto AMP/ATP all’interno della cellula si sbilancia in favore dell’AMP, quindi quando si verifica un deficit energetico cellulare. Sensori Nutrizionali 12 di 40 Sara Baldelli AMPK L’AMPK inibisce i processi metabolici che consumano ATP mentre favorisce quelli catabolici che portano alla sua generazione, al fine di mantenere l’omeostasi energetica cellulare. Sensori Nutrizionali 13 di 40 Sara Baldelli AMPK L'attività dell'AMPK è stimolata dall’esercizio fisico, dal digiuno, dagli acidi grassi polinsaturi, da leptina e adiponectina, da alcuni composti bioattivi nutraceutici (resveratrolo), da farmaci (ades. la metformina, usata per il trattamento del diabete di tipo 2), oltre che dall’esercizio fisico.Questo enzima agisce principalmente sul muscolo scheletrico e sul fegato. Sensori Nutrizionali 14 di 40 Sara Baldelli AMPK nel fegato Nel fegato l’AMPK fosforila e inattiva l’enzima citosolico acetil-CoA carbossilasi, bloccando così la carbossilazione dell’acetil-CoA a malonil-CoA, intermedio metabolico della biosintesi degli acidi grassi. Essendo il malonil CoA un inibitore dell’enzima CPT1 (carnitina palmitoil-transferasi 1), l’effetto dell’AMPK si traduce in un calo dei livelli di malonil-CoA e di conseguenza in un aumentato trasferimento di acidi grassi all’interno della matrice mitocondriale favorendo la β-ossidazione. Sensori Nutrizionali 15 di 40 Sara Baldelli AMPK nel fegato A livello epatico l’AMPK riduce la gluconeogenesi reprimendo la trascrizione di geni chiave come quelli per la glucosio-6-fosfatasi (G6- Pase) e la fosfoenolpiruvico carbossichinasi (PEPCK). Sensori Nutrizionali 16 di 40 Sara Baldelli AMPK nel muscolo Nel muscolo l’AMPK favorisce il trasporto di acidi grassi all’interno della cellula e la glicolisi. Uno dei suoi effetti più importanti è la stimolazione dell’esocitosi delle vescicole contenenti i trasportatori di glucosio GLUT4 sulla membrana del miocita (e dell’adipocita) indipen dall’insulina. Per questi ruoli un aumento dei livelli di AMPK è protettivo nei confronti del diabete. L’AMPK previene la lipotossicità, la resistenza all’insulina, migliora l’omeostasi glicemica, riduce lo stress ossidativo e l’infiammazione Sensori Nutrizionali 17 di 40 Sara Baldelli AMPK e attività fisica L’attività fisica, in particolare quella aerobica di endurance, attiva l’AMPK che favorisce la biogenesi mitocondriale, sia durante che dopo il suo svolgimento. Questo effetto è ancora più evidente quando l’attività fisica è praticata lontano dai pasti. Sensori Nutrizionali 18 di 40 Sara Baldelli AMPK e autofagia Uno degli effetti maggiormente protettivi dell’AMPK è la regolazione del processo di autofagia: tramite la fosforilazione di ULK-1 (UNC-51- like kinase 1). L’AMPK favorisce il processo che porta alla formazione degli autofagosomi, vescicole contenenti i costituenti cellulari danneggiati, indirizzati verso la degradazione ed il riciclo. Per i processi metabolici e biologici che infuenza, in particolare il processo di autofagia, l’AMPK, unitamente ad altri sensori come le sirtuine, FOXO e PGC-1α è un mediatore della via di trasdu-zione cellulare protettiva che può portare ad un miglioramento della healthspan. Sensori Nutrizionali 19 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Le sirtuine rappresentano una famiglia di deacetilasi (7 membri) altamente conservate nell’evoluzione, considerate "markers di salute metabolica". Le sirtuine sono regolate sia a livello trascri- zionale dalla via proteina chinasi A (PKA)-CREB che per attivazione ad esempio da parte di AMPK ,in relazione allo stato energetico della cellula. Sensori Nutrizionali 20 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Le sirtuine sono sensori nutrizionali dell’energia cellulare e sono attivate da un aumento dei livelli di NAD+ citosolico. Lo switch da glicolisi a respirazione aerobica favorisce un aumento del rapporto NAD+/NADH citosolico che attiva SIRT1, la forma citosolica e successiva-mente SIRT3, la forma mitocondriale, che sono le sirtuine maggiormente studiate e che sono correlate tra loro. Sensori Nutrizionali 21 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Il loro meccanismo d’azione consiste nella rimozione di residui acetilici da substrati (istoni, fattori di trascrizione, enzimi) e nel loro inserimento su un gruppo di ADP-ribosio del NAD+ che funziona pertanto da co-substrato. Tramite deacetilazione di proteine istoniche le sirtuine causano un rimodellamento della cromatina favorevole al "silenziamento genico", mentre mediante deacetilazione di fattori di trascrizione ed enzimi esse controllano il metabolismo e altri processi fondamentali per lo stato di salute della cellula. Sensori Nutrizionali 22 di 40 Sara Baldelli Sirtuine La principale funzione protettiva delle sirtuine è legata alla deacetilazione e attivazione di PGC-1α, regolatore fondamentale dei processi di biogenesi mitocondriale e respirazione cellulare, e del fattore di trascrizione FOXO, coinvolto nei meccanismi della difesa antiossidante (tramite la sintesi della superossido dismutasi) di resistenza agli stress, di ripa razione del DNA e di autofagia. Sensori Nutrizionali 23 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Le sirtuine, inoltre, attivano l’enzima ossido nitrico sintasi endoteliale (eNOS), pro-tettivo per gli endoteli dei vasi, mentre inibiscono per deacetilazione il fattore di trascrizione NF-kB (nuclear factor kB), importante me-diatore di processi infiammatori. In questo modo controllano l’efficienza del metabolismo ossidativo, proteggono dall'infiammazione e svolgono un ruolo nei processi cellulari fondamentali per lo stato di salute della cellula. Sensori Nutrizionali 24 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Molte molecole vegetali definite nutraceutiche aumentano l’affinità tra le sirtuine e i substrati proteici bersaglio: avoni, stilbeni, calconi, antocianidine, polifenoli come la quercetina, curcumina, catechine e resveratrolo. Il resveratrolo è stato il primo composto nutraceutico ad essere stato studiato ed è forse il più efficace in vitro: tuttora si stanno valutando le possibili correlazioni in vivo tra la sua somministrazione, l’attivazione delle sirtuine e la supposta implicazione sulla longevità in modelli di organismi animali. Sensori Nutrizionali 25 di 40 Sara Baldelli Sirtuine Nei mammiferi è stato osservato che nonostante il resveratrolo non estenda la lifespan, possa migliorare la healthspan eproteggere da alcune patologie legate all’età e dall’obesità. Sensori Nutrizionali 26 di 40 Sara Baldelli PGC-1α PGC-1α è un coattivatore di alcuni fattori di trascrizione quali i PPARs e FOXO. Promuove la biogenesi mitocondriale e la respirazione cellulare. In quanto co-attivatore dei fattori di trascrizione PPARα/δ induce la sintesi degli enzimi necessari per la β-ossidazione e la chetogenesi. Oltre ad essere un coattivatore, PGC-1α può funzionare egli stesso da fattore di trascrizione. Ha la capacità di indurre alcuni fattori di trascrizione che coattiva, amplificandone le funzioni biochimiche. Sensori Nutrizionali 27 di 40 Sara Baldelli PGC-1α Come funzioni primarie, PGC-1α ottimizza la "performance" mitocondriale e induce la sintesi di enzimi del ciclo di Krebs e della fosforilazione ossidativa. La sua attivazione porta alla completa ossidazione degli acidi grassi a CO2 e H2O, evento cruciale per la salute metabolica. Infatti, per la "salute metabolica" non è sufficiente un efficiente processo di β-ossidazione, ma è necessario che gli acetil-CoA che ne derivano siano convogliati nel ciclo Krebs per essere completamente ossidati. Sensori Nutrizionali 28 di 40 Sara Baldelli PGC-1α ed esercizio fisico Questo coattivatore rappresenta uno dei principali effettori correlati alla healthspan, che è in gran parte dipendente da una efficiente attività mitocondriale e da una ottimale flessibilità metabolica. A livello muscolare PGC-1α rappresenta il mediatore biochimico che rende conto degli effetti benefici dell’esercizio fisico di endurance e dell’azione ormetica dei radicali liberi. Sensori Nutrizionali 29 di 40 Sara Baldelli Sensori nutrizionali della componente lipidica I sensori nutrizionali della componente lipidica sono i PPARs (recettori di attivatori della prliferazione dei perossisomi). Sono recettori nucleari appartenenti alla superfamiglia dei recettoriper gli ormoni steroidei. Essi mediano la regolazione del metabolismo lipidico da parte degliacidi grassi. Sensori Nutrizionali 30 di 40 Sara Baldelli PPARs Sono presenti nel nucleo già associati al DNA in forma di eterodimeri con altri recettori nucleari: i recettori RXR dell’acido retinoico. Gli eterodimeri PPAR-RXR interagiscono con specifici elementi di risposta, i PPRE (PPAR-responsive elements) costituiti da sequenze esameriche (di basi) dirette ripetute: "AGGTCAnAGGTCA" separate da un solo nucleotide spaziatore. Sensori Nutrizionali 31 di 40 Sara Baldelli PPARs In assenza di ligando l’attività trascrizionale del dimero è bloccata dall’interazione di corepressori. L’arrivo del ligando di PPAR, favorisce l’interazione con il coattivatore specifico, PGC-1α, che, a sua volta, induce il reclutamento di cofattori dotati di attività istone transacetilasica (es CBP/P300 e SRC) in grado di favorire il rimodellamento della cromatina e l’inizio del processo trascrizionale. Sensori Nutrizionali 32 di 40 Sara Baldelli PPARs Le isoforme principali sono 3, co- dificate da geni diversi: PPARα, PPARb/δ e PPARγ. Tutte le isoforme funzionano dimerizzando con il recettore X per l’acido retinoico (RXR) in corrispondenza dei PPRE. Questo complesso attiva la trascrizione dei geni bersaglio solo se oltre al ligando dei PPARs, è presente il coattivatore PGC-1α. Sensori Nutrizionali 33 di 40 Sara Baldelli PPARα PPARα è espresso nei tessuti metabolicamente attivi, in particolare nel fegato. Ha un ruolo fondamentale nel meccanismo biochimico di adattamento al digiuno e di conseguenza allo switch metabolico da glucosio ad acidi grassi come fonti di energia. PPARa induce i geni di enzimi per il trasporto e l’ ossidazione degli 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). Sensori Nutrizionali 34 di 40 Sara Baldelli PPARα La PDK4 inibisce la piruvico deidrogenasi bloccando così la glicolisi a favore della beta-ossidazione. In questa condizione di digiuno l’acido piruvico viene pertanto indirizzato verso la gluconeogenesi. Sensori Nutrizionali 35 di 40 Sara Baldelli PPARβ/δ PPARβ/δ è una isoforma ubiquitaria, ma è espressa soprattutto nel muscolo scheletrico. Ha un ruolo importante nell’adattamento del muscolo all’esercizio di endurance-training che comporta il passaggio dalla ossidazione del glucosio a quella degli acidi grassi. L’effetto principale del PPARδ è quello di indurre la trascrizione degli enzimi coinvolti nella β-ossidazione degli acidi grassi. Il PPARb/δ trascrive per PGC-1α e FOXO. PGC-1α favorisce la biogenesi e l’attività dei mitocondri, mentre FOXO salvaguarda il mantenimento, la sopravvivenza, la resistenza agli stress del miocita, oltre ad indurre il processo autofagico di "controllo qualità". Sensori Nutrizionali 36 di 40 Sara Baldelli PPARβ/δ PPARb/δ tramite FOXO promuove la termogenesi, inducendo le proteine UCP e i meccanismi di difesa dallo stress ossidativo, attraverso la produzione della superossido dismutasi, che neutralizza il radicale superossido trasformandolo in acqua ossigenata e della glutatione perossidasi che trasforma l'acqua ossigenata in acqua. Sensori Nutrizionali 37 di 40 Sara Baldelli PPARg PPARγ è espresso principalmente nel tessuto adiposo e, contrariamente alle altre isoforme, è maggiormente attivo nella condizione fed. Il suo ruolo principale consiste nella regolazione dei depositi lipidici, promuovendo la capacità del tessuto adiposo di "tamponare" un aumento della lipemia,al fine di ridurre il rischio di una deposizione ectopica di acidi grassi in altri organi. Sensori Nutrizionali 38 di 40 Sara Baldelli PPARg A questo scopo l’ attivazione di PPARg produce una sequenza di eventi che inizia con l’adipogenesi, ossia la stimolazione del differenziamento degli adipociti bianchi (ma anche degli adipociti bruni) e la sintesi di adiponectina da parte dei "nuovi" piccoli adipociti. Successivamente la stimolazione di PPARγ determina l’attivazione dei geni per enzimi implicati nell’uptake e nell’immagazzinamento dei lipidi. Questi enzimi sono: la lipoproteina lipasi (LPL), la acil-CoA sintasi, la fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK). Sensori Nutrizionali 39 di 40 Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbiamo trattato di: Regolazione della salute metabolica: meccanismi molecolari; Meccanismi molecolari; Sensori nutrizionali regolatori della carica energetica cellulare; AMPK; Sirtuine; PGC-1α; Sensori nutrizionali della componente lipidica; PPARs Sensori Nutrizionali 40 di 40