Corso di Laurea in Farmacia
Insegnamento di
BIOCHIMICA
Angela Chambery
Lezione 26
La gluconeogenesi
Concetti chiave:
• Il fegato e il rene possono sintetizzare glucosio da lattato, piruvato e amminoacidi.
• La gluconeogenesi è per larga parte l'inverso della glicolisi, in cui la reazione della piruvato
chinasi è sostituita dalle reazioni della piruvato carbossilasi e della fosfoenolpiruvato
carbossichinasi. Le reazioni della fosfofruttochinasi e dell'esochinasi sono sostituite da
reazioni catalizzate da fosfatasi.
• La glicolisi e la gluconeogenesi sono reciprocamente regolate tramite effetti allosterici,
fosforilazioni e cambiamenti della velocità di sintesi degli enzimi.
La gluconeogenesi
La gluconeogenesi è la sintesi di glucosio da precursori non glucidici. La riserva di glucosio
dell’organismo (i.e. glucosio + glicogeno) è sufficiente per circa un giorno. Il mantenimento dei
livelli di glucosio è importante dal momento che è il principale combustibile per il cervello
(120g/die sui 160/die richiesti dall’intero organismo).
La gluconeogenesi
La gluconeogenesi ha luogo principalmente nel fegato, e in piccola quantità anche nel rene con la
funzione di mantenere i livelli ematici di glucosio sufficientemente alti da consentire all’encefalo
e al tessuto muscolare di avere sufficienti quantità di glucosio per soddisfare le proprie esigenze
metaboliche.
La gluconeogenesi che avviene nell’encefalo, nel muscolo scheletrico e nel muscolo cardiaco è
solo di modesta entità.
La gluconeogenesi
La via gluconeogenetica converte il
piruvato in glucosio.
I precursori non glucidici del glucosio
vengono prima convertiti in piruvato o
entrano nella via a livello di intermedi
successivi come l’ossalacetato e il
diidrossiacetone fosfato.
I principali precursori non glucidici sono il
lattato, gli amminoacidi e il glicerolo.
La gluconeogenesi
La gluconeogenesi non è l’inverso della glicolisi. Alcune reazioni devono essere diverse perché in
condizioni cellulari normali l’equilibrio è spostato verso la formazione del piruvato e non verso la
sua conversione in glucosio.
Tre reazioni della glicolisi sono così esoergoniche da essere praticamente irreversibili e sono
quelle catalizzate dalla esochinasi, dalla PFK-1 e dalla piruvato chinasi. Nella gluconeogenesi
queste tre tappe sono scavalcate.
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Glucosio-6-fosfato
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Conversione del piruvato a PEP
Il fosfoenolpiruvato si forma dal piruvato in due reazioni che prevedono l’utilizzo di due gruppi
fosforici ad alta energia:
1) Il piruvato viene prima carbossilato ad ossalacetato a spese di una molecola di ATP ad opera
della piruvato carbossilasi (reazione anaplerotica del ciclo di Krebs) nel mitocondrio.
2) l’ossalacetato viene poi decarbossilato e fosforilato a spese di un secondo legame fosforico ad
alta energia (GTP) ad opera della fosfoenolpiruvato carbossichinasi.
La reazione complessiva è:
Piruvato + ATP + GTP + H2O → Fosfoenolpiruvato + ADP + GDP + Pi + 2H+
Struttura a domini della piruvato carbossilasi
La piruvato carbossilasi ha un dominio di legame dell’ATP che attiva lo ione HCO3- e trasferisce la
CO2 al dominio di legame alla biotina (omologo al dominio della acetil CoA carbossilasi). Da qui la
CO2 viene trasferita al piruvato nel dominio centrale.
Il gruppo prostetico del carbossibiotinil-enzima
La biotina è un gruppo prostetico legato covalentemente al gruppo ε-amminico di un residuo di
Lys dell’enzima, che serve da trasportatore di CO2 attivato.
Struttura a domini della piruvato carbossilasi
La biotina si trova in una specie di
braccio flessibile che le permette di
spostarsi tra il sito specifico per l’ATPbicarbonato e il sito specifico per il
piruvato.
La carbossilazione del piruvato si
svolge in tre stadi:
1. HCO3- + ATP → Carbossifosfato + ADP
2. Enzima-biotina + Carbossifosfato →
CO2-enzima-biotina + Pi
3. CO2-enzima-biotina + piruvato →
enzima-biotina + ossalacetato
Meccanismo di reazione della piruvato carbossilasi
Struttura a domini della piruvato carbossilasi
La piruvato carbossilasi è un enzima
mitocondriale mentre gli altri enzimi della
via gluconeogenetica sono citosolici.
L’ossalacetato
prodotto
dalla
carbossilazione del piruvato viene
trasportato nel citosol per generare
fosfoenolpiruvato sottoforma di malato.
Con il malato viene trasportato anche
NADH.
Il trasporto del PEP e dell'OAA
Il PEP è trasportato direttamente tra
citosol e mitocondrio.
L’ossalacetato viene prima trasformato
in
aspartato
dalla
aspartato
amminotransferasi (via 1) o in malato
dalla malato deidrogenasi (via 2).
La via 2 richiede l’ossidazione
mitocondriale del NADH seguita dalla
riduzione del NAD+ citosolico
In tal modo vengono trasferiti
equivalenti riducenti del NADH dal
mitocondrio al citosol.
Meccanismo di reazione della PEPCK
L’ossalacetato viene simultaneamente decarbossilato e fosforilato dalla fosfoenolpiruvato
carbossichinasi. Con la decarbossilazione viene favorita la reazione di fosforilazione altrimenti
altamente esoergonica.
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Una volta formatosi, il PEP viene
metabolizzato dagli enzimi della glicolisi
ma nella direzione inversa.
Nelle condizioni intracellulari queste
reazioni si trovano vicine all’equilibrio e
quindi possono procedere fino alla
successiva reazione irreversibile che è
l’idrolisi del fruttosio 1,6-bisfosfato a
fruttosio 6-fosfato e Pi.
Glicolisi e gluconeogenesi a confronto
Glucosio-6-fosfato
Defosforilazione del F1,6-BP e sintesi di glucosio
Il fruttosio 6-fosfato si forma dal fruttosio 1,6-bisfosfato per idrolisi dell’estere fosforico
sull’atomo di carbonio C-1 ad opera della fruttosio 1,6 bisfosfatasi. La reazione complessiva è:
Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O → fruttosio 6-fosfato + Pi
Il glucosio libero si forma infine per idrolisi del glucosio 6-fosfato ad opera della glucosio 6fosfatasi presente nel fegato ma non nel muscolo e nel cervello. La reazione complessiva è:
Glucosio 6-fosfato + H2O → glucosio + Pi
Glucosio-6-fosfato
Sintesi di glucosio dal glucosio-6-fosfato
Nella maggior parte dei tessuti il glucosio 6-fosfato viene metabolizzato come tale, in particolare
per formare glicogeno. Il vantaggio è che in tale forma non può uscire dalla cellula. La
formazione del glucosio libero che avviene prevalentemente nel fegato ed in minor misura nel
rene.
Il glucosio 6-fosfato viene trasportato nel lume del reticolo endoplasmatico dove viene
idrolizzato a glucosio dalla glucosio 6-fosfatasi, enzima legato alla membrana. Il glucosio e il Pi
vengono poi trasferiti nel citosol ad opera di una coppia di trasportatori.
Panoramica della gluconeogenesi
Resa energetica della gluconeogenesi
La reazione netta della formazione del glucosio dal piruvato è:
2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H2O → Glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+ + 2 H+
Per sintetizzare una molecola di glucosio dal piruvato vengono usati 6 legami fosforici ad alta
energia e 2 molecole di NADH. Nella glicolisi durante la conversione del glucosio a piruvato
vengono prodotte solo 2 molecole di ATP.
Il costo aggiuntivo della gluconeogenesi è di quattro molecole ad elevato potenziale di
trasferimento del gruppo fosforico per ogni molecola di glucosio sintetizzata dal piruvato. Tale
costo è il prezzo da pagare per trasformare un processo energeticamente sfavorevole (inverso
della glicolisi) in uno favorevole (gluconeogenesi).
Ciclo di Cori
L’alanina ed il lattato prodotti dal muscolo scheletrico in attività e dagli eritrociti (privi di
mitocondri) sono uno dei principali rifornimenti della gluconeogenesi. La formazione del lattato
nel muscolo sposta parte del carico metabolico dal muscolo al fegato.
Il muscolo che si contrae fornisce lattato al fegato che lo utilizza per sintetizzare e rilasciare il
glucosio. Il fegato ripristina dunque i livelli di glucosio necessari per le cellule muscolari attive
che generano ATP attraverso la conversione glicolitica del glucosio in lattato (Ciclo di Cori).
Alanina amminotrasferasi (ALT)
L’alanina, insieme al lattato, è il più importante precursore del glucosio nel fegato quando, nel
muscolo, gli scheletri carboniosi di alcuni amminoacidi vengono utilizzati come combustibili.
ALT
Gli atomi di azoto vengono trasferiti al piruvato formando alanina. La reazione inversa avviene
nel fegato. Tale processo contribuisce a mantenere il bilancio azotato.
Regolazione della gluconeogenesi
Gluconeogenesi e glicolisi sono regolate reciprocamente e coordinati in modo tale che nella
cellula le due vie non siano attive contemporaneamente.
Alta carica energetica
Bassa carica energetica
Gluconeogenesi
Glicolisi
La logica della regolazione è la seguente: quando c’è bisogno di energia predomina la glicolisi;
quando vi è un surplus di energia disponibile ha il sopravvento la gluconeogenesi.
Regolazione della gluconeogenesi
Il primo importante punto di controllo
della gluconeogenesi è la reazione
catalizzata
dalla
fruttosio
1,6bisfosfatasi.
L’enzima
glicolitico
corrispondente è la fosfofruttochinasi-1.
Alti livelli di ATP e citrato (alta carica
energetica) inibiscono la fosfofrutto
chinasi, il citrato attiva la fosfatasi.
La regolazione ormonale (glucagone)
della glicolisi e della gluconeogenesi nel
fegato è mediata dal fruttosio 2,6
bisfosfato (F-2,6-BP).
Il F-2,6-BP attiva la fosfofruttochinasi
1 e stimola la glicolisi nel fegato.
Il F-2,6-BP inibisce la fruttosio 1,6
bisfosfatasi e rallenta la gluconeogenesi
nel fegato.
Regolazione della gluconeogenesi
La concentrazione cellulare del modulatore fruttosio 2,6-bisfosfato viene determinata dalla
velocità della sua sintesi da parte della fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e dalla velocità della sua
degradazione operata dalla fruttosio 2,6-bisfosfatasi (FBPase-2).
Regolazione della gluconeogenesi
La fosfofruttochinasi-2 (PFK-2) e la fruttosio 2,6-bisfosfatasi fanno parte della stessa catena
polipeptidica (enzima tandem) e sono regolati in modo complementare e coordinato dal
glucagone.
Regolazione della sintesi e degradazione del fruttosio 2,6-bisfosfato
Una diminuzione della concentrazione del glucosio ematico, segnalato dal glucagone,
determina la fosforilazione dell’enzima bifunzionale (aumento attività fosfatasica) e quindi fa
diminuire la concentrazione di fruttosio 2,6-bisfosfato, rallentando la glicolisi.
Regolazione della sintesi e degradazione del fruttosio 2,6-bisfosfato
Un aumento della concentrazione di fruttosio 6-fosfato, che segue ad un aumento del glucosio
ematico, accelera la formazione di fruttosio 2,6-bisfosfato facilitando la defosforilazione
dell’enzima (aumento dell’attività chinasica).
Regolazione della gluconeogenesi
Glucosio abbondante
↑ Fruttosio 2,6 bisfosfato
↑ Glicolisi
↓ Gluconeogenesi
Digiuno prolungato
↓ Fruttosio 2,6 bisfosfato
↓ Glicolisi
↑ Gluconeogenesi
La gluconeogenesi è favorita quando la
cellula è ricca di precursori biosintetici.
Regolazione della gluconeogenesi
Regolazione della gluconeogenesi
Il secondo punto di controllo
della gluconeogenesi è la reazione
catalizzata
dalla
piruvato
carbossilasi che è inibita dall’ADP
ed è attivata dall’acetil CoA che,
come il citrato, indica che il ciclo
di Krebs sta producendo energia
ed intermedi metabolici.
Anche la fosfoenol-piruvato
carbossichinasi è inibita dall’ADP.
I cicli del substrato nel metabolismo del glucosio
Un incremento del 20% della velocità di conversione di A in B (da 100 a 120) ed un decremento
del 20% della velocità di conversione da B in A (da 90 a 72). Il nuovo flusso netto passa da 10 a 48
con un aumento del flusso netto del 380% a fronte di una variazione del 20%.
I cicli del substrato amplificano i segnali metabolici.