Glucosio: cos’è, composizione chimica, come si forma , dove si trova e come viene metabolizzato

Il glucosio è uno zucchero, il più abbondante tra gli zuccheri in natura, e rappresenta la più importante fonte di energia per l’uomo. 

Il nostro organismo è in grado di ricavare glucosio e, quindi, energia, da proteine, lipidi e, in particolare, dai carboidrati, che ne sono la fonte principale.

Infatti, i carboidrati sono le molecole più abbondanti sulla terra e la loro ossidazione è la via principale di produzione di energia nella maggior parte delle nostre cellule.

Inoltre, questo zucchero è collegato alla glicemia. Infatti, questa rappresenta la concentrazione di glucosio nel sangue.

Glucosio: che cos’è

E’ un monosaccaride (dal greco “monos”=singolo e “saccaron”=zucchero), uno zucchero che non può essere scisso in qualcosa di più semplice ma che può essere legato ad altri zuccheri semplici formando zuccheri complessi.

I carboidrati semplici sono quelli che comunemente chiamiamo “zuccheri” e comprendono:

• monosaccaridi: glucosio, galattosio, fruttosio.
• disaccaridi: saccarosio, lattosio, maltosio.
• oligosaccaridi: maltodestrina.

Quando siamo in grado di utilizzarli direttamente a scopo energetico, possono essere definiti carboidrati semplici disponibili.

Come si forma

Allo stato puro, è un solido cristallino ed incolore, in grado di sciogliersi in acqua e dal caratteristico sapore dolce. Lo si può trovare come tale negli alimenti ma anche quando non lo troviamo come tale nel cibo, siamo in grado di sintetizzarlo.

Infatti, è una fondamentale forma di energia per le nostre cellule ed è in grado di circolare nel sangue per poter portare energia in tutti i distretti corporei.

Tra gli zuccheri, è il più diffuso in natura, sia allo stato libero, ad esempio nella frutta e nel miele, sia combinato a formare altri zuccheri e carboidrati.

Ad esempio, lo zucchero da tavola, chiamato saccarosio, nasce dall’unione del glucosio con un altro monosaccaride, il fruttosio.  

Composizione chimica del glucosio

Il glucosio (formula chimica: C₆H₁₂O₆) è un carboidrato formato da sei atomi di carbonio, dodici atomi di idrogeno e sei atomi di ossigeno ed ha un peso molecolare di 180,16 g/mol.

In chimica viene definito monosaccaride aldo-esoso.

Il termine esoso indica il numero di atomi di carbonio che lo compongono e che sono appunto sei, uniti tra di loro da legami singoli.

Viene anche definito aldoso perché presenta un gruppo carbonilico (un atomo di carbonio legato ad uno di ossigeno tramite un doppio legame: C=O) ad una delle estremità della catena.

Classificazione

Sul quinto carbonio della catena, presenta un gruppo ossidrilico (un atomo di ossigeno legato ad uno di idrogeno: -OH) la cui posizione è importante per la classificazione del glucosio.

A seconda che questo gruppo si trovi a sinistra o a destra, infatti, il glucosio viene chiamato in due differenti modi:

• D (+) glucosio: forma naturalmente presente in natura nonché la più abbondante. Da questa conformazione il glucosio viene anche definito destrosio.
• L (-) glucosio: forma prodotta sinteticamente e di minore importanza biologica.

Queste due conformazioni fanno riferimento alla forma lineare del glucosio.

In natura, però, solo meno dello 0,5% di questo zucchero si trova in forma lineare (detta anche aciclica) perché in soluzione acquosa il 99% delle molecole di glucosio sono presenti in forma ciclica.

Così come per la struttura lineare, anche per l’anello di glucosio esistono in realtà due differenti strutture, α e β.

Di queste, la più stabile è la struttura β in quanto esiste in una conformazione chiamata “a sedia” nella quale tutti i gruppi -OH sono in posizione alternata.

Come viene metabolizzato il glucosio

Rappresenta la più importante fonte di energia per il nostro organismo.

Carboidrati, lipidi e proteine alla fine si scompongono in glucosio, che poi funge da combustibile metabolico primario dei mammiferi.

Serve come principale precursore per la sintesi di diversi carboidrati come:

• Glicogeno (la nostra riserva di glucosio e, quindi, di energia)
• Ribosio e desossiribosio (zuccheri fondamentali per la sintesi di RNA e DNA)
• Glicolipidi
• Glicoproteine
• Proteoglicani.

A livello cellulare, è il substrato finale che entra nelle cellule dei tessuti e si converte in un composto ad alta energia, l’ATP (adenosina trifosfato).

In condizioni fisiologiche e a digiuno, è presente nel sangue alla concentrazione di 70-99 mg/dL (glicemia a digiuno).

Invece, dopo i pasti, questo valore subisce un leggero aumento, fino ad un massimo di 140 mg/dL (iperglicemia post-prandiale), per poi riassumere il livello basale.

Questo aumento della glicemia dopo i pasti è dovuto al riversamento nel sangue di una parte del glucosio ottenuto dalla trasformazione dei carboidrati assunti con l’alimentazione.

La restante parte viene utilizzata per la glicolisi. Infine, un’altra parte ancora viene trasformata in:

• Glicogeno
• Polimero del glucosio che costituisce una riserva di questo zucchero.

Dagli alimenti alle cellule

Vediamo meglio cosa succede nel momento in cui iniziamo un pasto ricco di carboidrati.

La digestione dei carboidrati inizia nella bocca grazie all’azione di un enzima, l’alfa-amilasi o ptialina, che agisce fino a quando il pH molto basso dei succhi gastrici dello stomaco non ne blocca l’attività.

Poi, la digestione dei carboidrati prosegue nella prima porzione dell’intestino tenue, il duodeno, dove il pancreas riversa i succhi pancreatici che contengono un’altra alfa-amilasi (amilasi pancreatica).

A questo punto la digestione si completa nel tenue ad opera di alcuni enzimi secreti dalle cellule di questo tratto intestinale, le disaccaridasi che, come suggerisce il nome, riducono i disaccaridi in monosaccaridi (glucosio, fruttosio, galattosio ecc.).

I monosaccaridi devono essere a questo punto assorbiti nell’intestino.

Affinché tutti i monosaccaridi possano essere trasportati all’interno delle cellule dell’intestino (gli enterociti), è necessario un tipo di trasporto definito “attivo” che richiede energia. L’unico monosaccaride che viene trasportato tramite diffusione facilitata, è il fruttosio.

In particolare, il trasporto del glucosio e del galattosio viene definito sodio-dipendente perché avviene contemporaneamente a quello del sodio ad opera di un co-trasportatore, SGLT (Sodium, GLucose Transporter).

Questo trasportatore permette l’ingresso del glucosio (e del galattosio) nel citoplasma dell’enterocita.

Invece, un diverso trasportatore, GLUT-2, media l’efflusso del glucosio (e dei monosaccaridi in genere) dal citoplasma dell’enterocita verso il circolo sanguigno.

Il glucosio è quindi passato dall’intestino al sangue e, in particolare, è stato riversato nella vena porta. La vena porta è quella vena che veicola i monosaccaridi al fegato il quale li trasformerà tutti in glucosio.

Ingresso del glucosio nelle cellule

Una volta che gli epatociti, le cellule del fegato, captano il glucosio, in parte lo demoliscono e in parte prevalente lo immagazzinano sottoforma di glicogeno o lo utilizzano per la sintesi dei trigliceridi.

Invece, una parte di questo viene riversata dal fegato nel sangue determinando iperglicemia post-prandiale.

A questo punto, il glucosio entra in circolo nel sangue. Quindi, deve entrare nelle cellule affinché queste lo utilizzino per le loro necessità plastiche ed energetiche.

L’iperglicemia post-prandiale che consegue all’assorbimento intestinale dei monosaccaridi derivati dalla digestione dei carboidrati, stimola le cellule beta delle isole di Langerhans del pancreas a secernere insulina.

Questo ormone gioca un ruolo fondamentale nell’ingresso del glucosio nelle cellule che lo utilizzeranno (insulino-dipendenti).

In particolare, quando l’insulina si lega al suo recettore presente sulle cellule muscolari, epatiche o del tessuto adiposo, queste potranno captare al loro interno il glucosio.

I neuroni e le emazie sono cellule insulino-indipendenti. Quindi, internalizzano il glucosio indipendentemente dall’azione dell’insulina.

Sia nell’uno che nell’altro caso, il glucosio riesce a passare il doppio strato lipidico della membrana plasmatica grazie ad alcune proteine, le GLUT (Glucose Transporters), di cui si conoscono 12 tipologie.

Trasporto del glucosio

E’ una fonte energetica fondamentale per la maggior parte delle cellule viventi.

A causa della sua natura polare e delle sue grandi dimensioni, le sue molecole non possono attraversare la membrana lipidica della cellula per semplice diffusione.

Quindi, l’ingresso di molecole di glucosio nelle cellule avviene grazie ad una vasta famiglia di proteine di trasporto note come trasportatori di glucosio.

Sono stati identificati due tipi principali di trasportatori del glucosio, vale a dire:

• trasportatori sodio-glucosio (SGLT)
• trasportatori di glucosio a diffusione facilitata (GLUT).

I trasportatori sodio-glucosio lo trasportano insieme agli ioni sodio. Invece, gli SGLT sono presenti sulla superfice delle cellule dell’intestino tenue dove assorbono il glucosio dalle fonti alimentari.

Inoltre, si trovano nei tubuli renali dove facilitano il riassorbimento del glucosio dal filtrato glomerulare.

SGLT: trasportatori sodio-glucosio

GLUT: trasportatori di glucosio a diffusione facilitata

Invece, i GLUT trasportano lo zucchero attraverso la membrana plasmatica mediante un meccanismo di diffusione facilitata.

Destini metabolici del monosaccaride

Negli esseri umani, ha quattro destini metabolici.

1. Utilizzato per la sintesi di polisaccaridi complessi di riserva energetica destinati allo spazio extra-cellulare.
2. Immagazzinato nella cellula sotto forma di polisaccaridi o di saccarosio.
3. Ossidato a composti a tre atomi di carbonio (piruvato) tramite la glicolisi per produrre ATP, una molecola in grado di fornire energia alle cellule.
4. Viene ossidato tramite la via dei pentoso fosfato per produrre ribosio 5-fosfato necessario per la sintesi degli acidi nucleici e NADPH, usato nei processi biosintetici riduttivi (le ossido-riduzioni).

Glucosio: fonte di energia

Quando è finalmente entrato nella cellula, inizia un processo con cui tutti gli organismi ricavano energia, chiamato respirazione cellulare, che può essere diviso in 4 fasi principali.

1. Glicolisi. Nel citosol della cellula, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato, un composto organico con una struttura centrale a tre atomi di carbonio. Durante la glicolisi avviene la sintesi di una piccola quantità di ATP, fonte di energia per le cellule.
2. Ossidazione del piruvato. Il piruvato ottenuto dalla glicolisi passa dal citosol al mitocondrio dove viene convertito in un gruppo acetilico a due atomi di carbonio, l’acetil-coA. Questa molecola entra nel ciclo dell’acido citrico dove viene completamente ossidata ad anidride carbonica. Durante questo ciclo viene sintetizzata ulteriore ATP.
3. Catena di trasferimento degli elettroni. Sempre nel mitocondrio, gli elettroni ad alta energia prodotti dalla glicolisi, dall’ossidazione del piruvato e dal ciclo dell’acido citrico, sono inviati all’ossigeno mediante una successione di trasportatori di elettroni. L’energia libera rilasciata dal flusso di elettroni genera un gradiente di ioni H+.
4. Fosforilazione ossidativa. L’enzima ATP sintasi sfrutta il gradiente di H+ generato dal sistema di trasporto degli elettroni come fonte di energia per sintetizzare ATP.

Gluconeogenesi

Il glucosio presente nel sangue è la sola o la principale sostanza nutriente per:

• cervello
• eritrociti
• testicoli
• parte midollare del rene
• tessuti embrionali.

Il solo cervello consuma circa 120g di glucosio al giorno ma non sempre questa quantità è disponibile.

Diventa allora necessario sintetizzarlo da precursori non glucidici come le proteine e i grassi. Infatti, esiste un processo chiamato gluconeogenesi (formazione di nuovo zucchero) che utilizza il piruvato e i composti a 3 o 4 atomi di carbonio per sintetizzare glucosio.

Nell’uomo avviene prevalentemente nel fegato e, in piccola parte, nel rene e nelle cellule epiteliali che circondano il lume dell’intestino tenue.

In particolare, il fegato è in grado di sintetizzare glucosio per l’80% dalla deaminazione degli aminoacidi glicogenetici (in particolare l’alanina), derivati dal catabolismo delle proteine muscolari.

Invece, per il 20%, dal lattato prodotto dai tessuti periferici e particolarmente dal tessuto muscolare e dal glicerolo derivato dalla idrolisi dei trigliceridi presenti nel tessuto adiposo.

Poi, quello prodotto passerà nel sangue per poi raggiungere i tessuti che ne hanno bisogno.

Glicogeno e glucosio

In tutti gli organismi, l’eccesso di glucosio viene convertito in forme di deposito.

Glicogeno

E’ il deposito di glucosio nei vertebrati. Si trova soprattutto nel fegato e nel muscolo scheletrico e può arrivare al 10% del peso del fegato e all’1 o 2% del peso del muscolo.

Durante un esercizio fisico intenso, il glicogeno muscolare può essere consumato totalmente in meno di un’ora.

Invece, il glicogeno epatico può essere considerato una riserva di energia per gli altri tessuti quando non è disponibile dalla dieta (ad esempio tra un pasto e l’altro o durante un digiuno).

Questa forma di riserva è particolarmente importante per i neuroni che non possono utilizzare gli acidi grassi come combustibile metabolico.

Amido

L’amido è il deposito di glucosio nelle piante.

Regolazione della glicemia

La regolazione della glicemia e, cioè, dei livelli di glucosio nel sangue, avviene grazie ad alcuni ormoni.

Gli ormoni iperglicemizzanti sono quelli deputati all’aumento della glicemia qualora questa si abbassi.

Invece, gli ormoni ipoglicemizzanti sono quelli che permettono la riduzione della glicemia qualora questa dovesse alzarsi.

Il fine lavoro operato da questi ormoni tutti i giorni, è di enorme importanza in quanto il calo della glicemia (ipoglicemia) al di sotto dei 70 mg/dL induce la comparsa di una serie di sintomi che possono culminare nel coma ipoglicemico.

Mentre l’aumento persistente nel tempo della stessa (iperglicemia) può comportare l’alterazione del funzionamento di organi e apparati.

Insulina e glucagone

Insulina e glucagone sono i principali ormoni che regolano la glicemia.

L’insulina tende ad abbassare la concentrazione ematica del glucosio, favorendone la captazione e l’utilizzazione da parte delle cellule. La sua secrezione avviene ad opera delle cellule beta delle isole di Langerhans, nel pancreas, stimolate dall’iperglicemia post-prandiale.

Invece, il glucagone tende ad innalzare la glicemia, favorendo il passaggio del glucosio da alcuni tessuti al sangue.

La sua secrezione avviene da parte delle cellule alfa delle isole di Langerhans quando queste sono stimolate da alcuni aminoacidi, specialmente quelli glicogenetici. Invece, la secrezione del glucagone viene inibita dal glucosio stesso.

L’insulina e il glucagone lavorano insieme per mantenere la normale concentrazione di glucosio.

L’alto livello di zucchero nel sangue provoca la secrezione di insulina. Contemporaneamente, abbassa i livelli di glucosio nel sangue permettendo l’ingresso del glucosio nelle cellule. Al contrario, una diminuzione della glicemia stimola la secrezione di glucagone, che a sua volta aumenta i livelli nel sangue.

Il fegato funge da tampone per la concentrazione di glucosio nel sangue.

Dopo un pasto, c’è un aumento dei livelli di glucosio nel sangue, che aumenta contemporaneamente la secrezione di insulina dal pancreas.

L’insulina fa sì che il glucosio si depositi nel fegato sotto forma di glicogeno. Poi, nelle ore successive, quando la concentrazione di zucchero nel sangue diminuisce, il fegato rilascia nuovamente glucosio nel sangue, diminuendo le fluttuazioni della glicemia.

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