Biosintesi dei carboidrati Gluconeogenesi: sintesi di glucosio da precursori non saccaridici La riserva di glucosio dell’organismo (glucosio + glicogeno) è sufficiente per circa 1 giorno. 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 ha luogo principalmente nel fegato, e in piccola quantità anche nel rene. La gluconeogenesi che avviene nell’encefalo, nel muscolo scheletrico e nel muscolo cardiaco è solo di modesta entità. La principale funzione della gluconeogenesi nel fegato e nel rene è 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 Sintesi di carboidrati da precursori semplici La via della gluconeogenesi Confronto tra le vie glicolitica e gluconeogenetica Il fosfoenolpiruvato si forma in due reazioni. 1) Il piruvato viene prima carbossilato ad ossalacetato a spese di 1 molecola di ATP piruvato + HCO3- + ATP Æ ossalacetato + ADP + Pi + H+ enzima: piruvato carbossilasi - Questa è anche una reazione anaplerotica del ciclo di Krebs 2) l’ossalacetato viene poi decarbossilato e fosforilato a spese di un secondo legame fosforico ad alta energia (GTP) ossalacetato + GTP ' fosfoenolpiruvato + CO2 + GDP enzima: fosfoenolpiruvato carbossichinasi Il fosfoenolpiruvato si forma dal piruvato attraverso l’ossalacetato Struttura a domini della piruvato carbossilasi La biotina è un gruppo prostetico legato covalentemente all’enzima, che serve da trasportatore di CO2 attivato. 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 Il dominio di legame per la biotina della piruvato carbossilasi La biotina è su un “guinzaglio flessibile” che le permette di muoversi tra il sito dell’ATP e del bicarbonato e il sito del piruvato. Il fosfoenolpiruvato si forma in due reazioni. piruvato + HCO3- + ATP + GTP Æ fosfoenolpiruvato + ADP + GDP + Pi + H+ + CO2 ΔG0’ = 0,9 kj/mole Per fosforilare 1 molecola di piruvato a fosfoenolpiruvato sono necessari 2 gruppi fosforici ad alta energia La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale mentre gli altri enzimi della via gluconeogenetica sono citosolici. L’ossalacetato viene trasportato nel citosol sotto forma di malato. Con il malato viene trasportato anche NADH. 2) Il fruttosio 6-fosfato si forma dal fruttosio 1,6-bisfosfato per idrolisi dell’estere fosforico sull’atomo di carbonio C-1. Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O Æ fruttosio 6-fosfato + Pi ΔG0’ = -16,3 kj/mole enzima: fruttosio 1,6 bisfosfatasi 3) Il glucosio libero si forma per idrolisi del glucosio 6-fosfato glucosio 6-fosfato + H2O ¿ glucosio + Pi ΔG0’ = -13,8 kj/mole enzima: glucosio 6 fosfatasi La glucosio 6-fosfatasi è presente nel fegato ma non nel muscolo e nel cervello. Differenze enzimatiche tra la glicolisi e la gluconeogenesi Glicolisi Gluconeogenesi Esochinasi Glucosio 6-fosfatasi Fosfofruttochinasi Fruttosio 1,6-bisfosfatasi Piruvato chinasi Piruvato carbossilasi Fosfoenolpiruvato carbossichinasi La stechiometria della gluconeogenesi 2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 4 H2O ¿ glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+ + 2 H+ ΔG0’ = --9 kcal/mole Per sintetizzare 1 molecola di glucosio dal piruvato vengono usati 6 legami fosforici ad alta energia + 2 molecole di NADH Nella glicolisi durante la conversione del glucosio a piruvato vengono prodotte solo 2 molecole di ATP L’alanina ed il lattato prodotti dal muscolo scheletrico attivo sono uno dei principali rifornimenti della gluconeogenesi. Nel muscolo in attività l’elevato rapporto NADH/NAD+ porta alla formazione prevalente di lattato. Nel fegato il lattato viene ossidato a piruvato per il basso rapporto NADH/NAD+ presente nel citosol degli epatociti. Il ciclo di Cori La formazione del lattato nel muscolo sposta parte del carico metabolico dal muscolo al fegato Gli intermedi del ciclo dell’acido citrico e molti amminoacidi sono glucogenici L’idrolisi dei triacilgliceroli di deposito produce anche glicerolo 3-fosfato, che può entrare nella via gluconeogenetica dopo essere stato ossidato a diidrossiacetone fosfato Ciclo dell’acido citrico Ciclo del gliossilato Al contrario degli animali, le piante possono usare i grassi per sintetizzare glucosio Le riserve di acidi grassi conservati nei semi sono convertite in saccarosio durante la germinazione La biosintesi del glucosio viene attivata quando nei mitocondri vi è un eccesso di Acetil-CoA. Un eccesso di Acetil-CoA stimola la piruvato carbossilasi. L’Acetil-CoA aumenta quando la velocità di produzione supera la velocità di utilizzazione nel ciclo dell’acido citrico. Il ciclo dell’acido citrico è inibito quando le richieste energetiche della cellula sono soddisfatte. Il secondo punto di controllo della gluconeogenesi è la reazione catalizzata dalla fruttosio 1,6 - bisfosfatasi. L’enzima glicolitico corrispondente è la fosfofruttochinasi-1. La regolazione ormonale (glucagone) della glicolisi e della gluconeogenesi nel fegato è mediata dal fruttosio 2,6 bisfosfato. Il fruttosio 2,6 bisfosfato attiva la fosfofruttochinasi 1 e stimola la glicolisi nel fegato. Il fruttosio 2,6 bisfosfato inibisce la fruttosio 1,6 bisfosfatasi e rallenta la gluconeogenesi nel fegato. Ruolo del fruttosio 2,6 bisfosfato nella regolazione della glicolisi e della gluconeogenesi. Regolazione del livello di fruttosio 2,6- bisfosfato. 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 del livello di fruttosio 2,6- bisfosfato. 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 reciproca della gluconeogenesi e della glicolisi nel fegato. Ciclo di Crebs se l’ATP è scarso Glucosio abbondante = ½ Fruttosio 2,6 bisfosfato = Glicolisi ½, Gluconeogenesi ¾ Digiuno prolungato = ¾ Fruttosio 2,6 bisfosfato = Glicolisi ¾, Gluconeogenesi ½ Biosintesi del glicogeno Molte delle reazioni in cui gli esosi vengono trasformati o polimerizzati utilizzano zuccheri legati a nucleotidi. Formazione di uno zucchero legato a nucleotidi. Sintesi del glicogeno La catena del glicogeno viene allungata dalla glicogeno sintasi. Il residuo di glucosio UDP-glucosio viene trasferito all’estremità non riducente di una catena di glicogeno mediante un nuovo legame (α1Æ4). Formazione di ramificazioni nella molecola di glicogeno La glicogeno sintasi non può produrre i legami(α1Æ6) presenti ai punti di ramificazione della molecola di glicogeno. I legami(α1Æ6) vengono formati dall’enzima ramificante chiamato amilo (1Æ4)(1 Æ6) transglicosilasi oppure glicosil-(4 Æ6)-transferasi, che catalizza il trasferimento di un segmento terminale di 6 o 7 residui glucosidici dall’estremità non riducente di una catena di glicogeno che abbia almeno 11 residui, al gruppo ossidrilico C-6 di un residuo di glucosio della stessa o di una’altra catena localizzato in un punto più interno . La glicogeno sintasi può quindi aggiungere altri residui glucosidici alla nuova ramificazione La glicogeno sintasi ha bisogno come innesco (primer) di una catena di poliglucosio (α1Æ4) preformata con una lunghezza di almeno 8 residui La glicogenina, una proteina, può comportarsi da primer a cui legare il primo residuo di glucosio (in corrispondenza del residuo Tyr194) e anche da catalizzatore per la sintesi di una catena nascente di glicogeno. La glicogenina forma poi un complesso stabile con la glicogeno sintasi. La glicogenina continua a far parte della particella di glicogeno restando legata covalentemente all’estremità a cui ha dato origine. La sintesi di una particella di glicogeno da parte della glicogenina Regolazione coordinata della glicogeno sintasi e della glicogeno fosforilasi La fosforilazione ha effetti opposti sull’attività enzimatica della glicogeno sintasi e su quella della glicogeno fosforilasi Livelli di glucosio ematici bassi: Glicogenolisi + + glucosio in circolo Gluconeogenesi + Glicolisi - Glicogeno sintesi - Livelli di glucosio ematici alti: Glicogenolisi - Gluconeogenesi - Glicolisi + Glicogeno sintesi +