Gluconeogenesi
Glicemia
Insulina
Insulin
[Glu]
blood
Fast
early
Glucagone
late fast
Digiuno
Digiuno prolungato
Glycogen
Glicogeno
gone
esaurito
(giorni)
Fed
1-2 hrs
6-12 hrs
Meal
Un pasto
Nel digiuno,
digiuno, anche prolungato,
prolungato, la glicemia subisce scarse
variazioni:
variazioni: la gluconeogenesi epatica produce glucosio per il
sangue ed il cervello
∆G per le 10 reazioni della glicolisi
glucosio
(calcolati sulla base delle concentrazioni cellulari
dei metaboliti)
metaboliti)
Energia libera (G)
ATP
A+B
Enz.
C+D
∆G = ∆G’° + RT ln ([C][D] / [A][B])
glucosio-6-P
fruttosio-6-P
ATP
Gly-3-P 3 P-glicerato
PEP
fruttosio-1,6- DHAP
2-P-glicerato
1,3 bis-Pglicerato
bisfosfato
NADH
ATP
(? G0’ totale = - 20 kcal/mole)
ATP
piruvato
Gluconeogenesi
w La Gluconeogenesi avviene principalmente nel
fegato.
w La sintesi di glucosio da piruvato utilizza parecchi
enzimi che partecipano anche alla glicolisi.
w Tre reazioni della glicolisi hanno un elevato valore di
∆G con segno negativo: esse sono essenzialmente
irreversibili: sono quelle catalizzate da
Esocinasi
Fosfofruttocinasi
Piruvato cinasi
Nella gluconeogenesi, queste tappe della glicolisi
devono obbligatoriamente essere aggirate.
LA GLUCONEOGENESI
Una delle funzioni più
più importanti del fegato è la sua partecipazione al controllo della
glicemia. Questo organo secerne glucosio nel sangue quando la glicemia
glicemia è bassa
(ipoglicemia), mentre assorbe glucosio dal sangue quando la glicemia
glicemia è alta
(iperglicemia).
Il glucosio contenuto nel sangue è essenziale per fornire energia al sistema nervoso
centrale.
centrale.
Infatti il cervello consuma la maggior parte del glucosio contenuto
contenuto nel sangue e nel
liquido interstiziale. In condizioni di normale alimentazione il cervello utilizza
esclusivamente glucosio per produrre energia. Esso non può utilizzare
utilizzare gli acidi grassi,
perché
perché non passano attraverso alla barriera ematoemato-encefalica.
encefalica. Solo nel digiuno
prolungato, il cervello si adatta alla utilizzazione dei corpi chetonici.
chetonici.
La gluconeogenesi è una via anabolica (quasi*) esclusiva del fegato.
ØCon questa via il fegato costruisce molecole di glucosio “nuove”
nuove”,
utilizzando per questa costruzione (sintesi) alcuni ammino acidi (detti
glicogenici),
glicogenici), acido lattico e glicerolo (cioè
(cioè sostanze che non sono
carboidrati). Per realizzare questa sintesi il fegato fornisce energia
energia sotto
forma di ATP ed altre molecole energetiche (GTP, NADH).
NADH).
(*Anche la corticale del rene, ma in misura minima, contribuisce alla
biosintesi del glucosio mediante la gluconeogenesi).
gluconeogenesi).
ØLa gluconeogenesi non è l’inverso della glicolisi;
glicolisi; tuttavia essa utilizza
diversi enzimi della glicolisi (che in questa via catalizzano le reazioni
inverse rispetto a quelle glicolitiche)
glicolitiche) ed alcuni enzimi caratteristici di
questa via. Questi ultimi catalizzano reazioni che aggirano tappe
irreversibili della glicolisi *.
( *sono “termodinamicamente”
termodinamicamente” irreversibili le reazioni fortemente
esoergoniche,
esoergoniche, che hanno un ∆G negativo di valore elevato. E’
E’ bene
ricordare che le reazioni esoergoniche sono spontanee, mentre quelle
endoergoniche non sono spontanee).
spontanee).
ØInfatti, la glicolisi comprende 3 reazioni irreversibili: quelle catalizzate
dalla piruvato cinasi,
cinasi, dalla fosfofruttofosfofrutto-cinasi e dalla esocinasi.
esocinasi.
Nella via della gluconeogenesi,
gluconeogenesi, la reazione glicolitica che trasforma
fosfoenolpiruvato in piruvato viene aggirata: prima il piruvato viene
trasformato in ossalacetato (reazione di carbossilazione che richiede ATP,
CO2 e biotina) e poi quest’
quest’ultimo in fosfoenolfosfoenol-piruvato (con una reazione che
consuma GTP). La reazione glicolitica catalizzata dalla fosfofruttocinasi viene
aggirata utilizzando un enzima idrolitico: la fruttosiofruttosio-1,61,6-bisbis-fosfatasi,
fosfatasi, che
catalizza una reazione spontanea (esoergonica
). Anche la reazione catalizzata
(esoergonica).
dalla esocinasi viene aggirata con una idrolasi:
idrolasi: la glucosioglucosio-6-fosfatasi (anche
questa reazione è spontanea).
Quest’
Quest’ultimo enzima è presente solo nel fegato ed è coinvolto sia nella
glicogenolisi,
glicogenolisi, sia nella gluconeogenesi.
gluconeogenesi. Staccando il fosfato dal glucosioglucosio6-fosfato per idrolisi, libera glucosio che può diffondere dalle cellule
cellule
epatiche nel sangue trasformando lo stato di ipoglicemia in uno stato di
glicemia normale.
La gluconeogenesi epatica è una via metabolica che viene attivata solo
quando c’è
c’è uno stato di ipoglicemia
Infatti è l’ormone glucagone,
glucagone, secreto solo in condizioni ipoglicemiche,
che stimola reazioni chiave di questa via. Il significato della secrezione di
glucagone è chiaro: c’è
c’è uno stato di carenza energetica nel sangue e
pertanto il fegato deve produrre glucosio libero da secernere nel
nel sangue,
allo scopo di correggere lo stato di ipoglicemia. Se è vero che la fonte
immediata di glucosio del fegato è la sua riserva di glicogeno, è anche
vero che questa riserva non è sufficiente. Perciò il fegato, oltre a demolire
il glicogeno per liberare molecole di glucosio, costruisce attivamente
attivamente le
nuove molecole di glucosio mediante la via della gluconeogenesi.
gluconeogenesi.
La gluconeogenesi è una via metabolica che avviene nel fegato come
processo spontaneo
ØQuesto significa che il fegato possiede non solo gli enzimi necessari,
necessari, ma
anche le condizioni termodinamiche che permettono di realizzare questa
biosintesi. Tali condizioni non sono presenti in altri organi o tessuti.
ØAlcuni ammino acidi (di tipo glucogenetico)
glucogenetico) entrano nella gluconeogenesi
perché
perché vengono trasformati in piruvato con vie specifiche (esempio alanina,
alanina,
serina,
serina, cisteina,
cisteina, glicina).
glicina). Molti altri amino acidi glucogenetici forniscono atomi
di carbonio ed altri atomi a questa via metabolica mediante trasformazioni
trasformazioni che
producono metaboliti del ciclo di Krebs (alfaalfa-chetoglutarato,
chetoglutarato, fumarato,
fumarato, etc.,
etc.,
vedi figura). Una volta entrati nel ciclo di Krebs,
Krebs, questi composti possono
essere trasformati in ossalacetato dagli enzimi del ciclo stesso. Se considerate
che il ciclo “gira”
gira” in senso orario vi sarà
sarà ben chiaro come questo fenomeno
avvenga. Così
Così si accumulano nel mitocondrio numerose molecole di
ossalacetato,
ossalacetato, non necessarie per le funzioni cataboliche del ciclo stesso. Queste
lasciano il ciclo (ed il mitocondrio) mediante la reazione che trasforma
trasforma
l’ossalacetato in fosfoenolpiruvato,
fosfoenolpiruvato, dando inizio ad una serie di reazioni inverse
rispetto a quelle della glicolisi che, con l’
l’ausilio delle idrolasi sopra citate
(fruttosio 1,61,6-bisbis-fosfatasi e glucosio 66-fosfatasi), portano alla formazione di
glucosio nel citoplasma, e quindi alla sua secrezione nel sangue.
sangue.
Amino acidi glicogenici
Glicolisi
Gluconeogenesi
(? G0’ = - 20 kcal/mole)
GLUCOSIO
ATP
Esocinasi
(? G0’ = - 9 kcal/mole)
GLUCOSIO
+ H2O
Glucosio-6-fosfatasi
ADP
GLUCOSOP 6-FOSFATO
GLUCOSOP 6-FOSFATO
ATP
FRUTTOSIO 6-FOSFATO
Fosfofruttocinasi
ADP
FRUTTOSIO 1,6-bis-FOSFATO
GLICERALDEIDE 3-FOSFATO
FRUTTOSIO 6-FOSFATO
+ H2O
Fruttosio 1,6-bis-fosfatasi
FRUTTOSIO 1,6-bis-FOSFATO
Di-IDROSSIACETONE-FOSFATO
1,3-bis-FOSFOGLICERATO
ADP
ADP
3-FOSFOGLICERATO
ATP
ATP
GLICERALDEIDE 3-FOSFATO
1,3-bis-FOSFOGLICERATO
3-FOSFOGLICERATO
2-FOSFOGLICERATO
2-FOSFOGLICERATO
FOSFOENOLPIRUVATO
FOSFOENOLPIRUVATO
ADP
Fosfoenolpiruvato carbossi-cinasi
+ GTP ( - CO2 )
Piruvato cinasi
ATP
OSSALACETATO
+ CO2 + ATP
Piruvato carbossilasi
PIRUVATO
PIRUVATO
Le due vie
metaboliche hanno
molti enzimi in
comune (quelli non
indicati) che
catalizzano reazioni
termodinamitermodinamicamente reversibili.
Gli enzimi
strettamente specifici
di ognuna delle due
vie (quelli indicati in
corsivo) catalizzano
reazioni irreversibili e
determinano il flusso
direzionale specifico
delle due vie. Le due
vie sono entrambe
spontanee, come
indica il ? G0’
fortemente negativo
Regolazione della gluconeogenesi
Insulina
inibisce
Glucagone
attiva
AcetilAcetil-CoA
attiva
(attivatore allosterico
della piruvato carbossilasi)
carbossilasi)
Fruttosio 2,62,6-bisbis-fosfato
inibisce
(inibitore allosterico della
fruttosio bisbis-fosfatasi)
Segnali metabolici
ad alta energia
attivano
Segnali metabolici
a bassa eneria
inibiscono
Costo energetico della gluconeogenesi
2 lattato + 4 ATP + 2 GTP
1 glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
2 piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+
1 glucosio + 4 ADP + 2 GDP
+ 6 Pi + 2NAD
Come si vede la gluconeogenesi da lattato o da piruvato costa 6 molecole energetiche (4
ATP e 2 GTP) per ogni molecola di glucosio formata.
A partire da piruvato,
piruvato, derivato da alcuni ammino acidi, la cellula deve pagare un costo
accessorio, in quanto le 2 molecole di NADH necessarie non potranno
potranno essere utilizzate
dal processo di fosforilazione ossidativa (si ricordi che 2NADH = 5 ATP, prodotto con
la fosforilazione ossidativa !).
∆G per le 10 reazioni della gluconeogenesi (calcolati
sulla base delle concentrazioni cellulari dei metaboliti)
metaboliti)
O
Energia libera (G))
C
O-
C O piruvato
CH3
ATP
frutosio-1,6bisfosfato
glucosio-6-P
glucosio
frutosio-6-P
GAP
3 P-glicerato
PEP
DHAP
NADH
GTP
ATP
(? G0’ totale = - 9 kcal/mole)
Due reazioni della glicolisi sono aggirate per semplici
reazioni di idrolisi:
L’esocinasi (Glicolisi) catalizzza:
glucosio + ATP à glucosio-6-fosfato + ADP
La glucosio-6-fosfatasi (Gluconeogenesi) catalizza:
glucosio-6-fosfato + H2O à glucosio + Pi
La fosfofruttocinasi (Glicolisi) catalizzza :
fruttosio-6-P + ATP à fruttosio-1,6-bisP + ADP
La fruttosio-1,6-bisfosfatasi (Gluconeogenesi) catalizza :
fruttosio-1,6-bisP + H2O à fruttosio-6-P + Pi
Agiramento della Piruvato cinasi (2 reazioni):
reazioni):
Piruvato Carbossilasi (Gluconeogenesi) catalizza:
piruvato + HCO3− + ATP à ossaloacetato + ADP + Pi
PEP Carbossicinasi (Gluconeogenesi) catalizza:
ossaloacetato + GTP à PEP + GDP + CO2
Le 10 tappe della gluconeogenesi
Π(2) piruvato + 2 ATP + 2 GTP + 2 HCO3- ? 2 PEP + 2 ADP + 2 GDP + 2 Pi + 2 CO2
• (2) fosfoenolpiruvato (PEP) + 2 H2O ? (2) 2-fosfoglicerato
Ž
•
•
‘
’
(2) 2-fosfoglicerato ?
(2) 3-fosfogicerato
(2) 3-fosfogicerato + 2 ATP ? (2) 1,3-bisfosfoglicerato + 2 ADP
(2) 1,3-bisfosfoglicerato + 2 NADH ? (2) glic-3-P + 2 Pi + 2 NAD+
(2) glic-3-P ? diidrossiacetone fosfato + DHAP
DHAP + gliceraldeide-3-fosfato ? fruttosio 1.6-bisfosfato
“
fruttosio 1.6-bisfosfato + H2O ? fruttosio-6-P + Pi
”
frutosio 6-fosfato ? glucosio-6-P
•
glucosio-6-P + H2O ? glucosio + Pi
2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP + 2 H20 ?
glucosio + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
12
La Gluconeogenesi richiede più
più energia che
l’inverso della glicolisi.
glicolisi.
gluconeogenesi
2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP + 2 H20 ?
glucosio + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi
glicolisi (invertita)
2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H20 ?
glucosio + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi
Da quali metaboliti si forma glucosio con la
gluconeogenesi epatica?
Piruvato
Amino
Acidi
Lattato
Ossalacetato
DHAP
Glucosio
Glicerolo
Degradazione Amino acidi
Ø Il 90% dell’energia deriva da carboidrati + grassi.
Solo il 10% dagli scheletri carboniosi degli amino
acidi. Infatti, l’eccesso di a. acidi deve essere
catabolizzato.
Ø Gli a. acidi sono una importante sorgente di
energia solo quando i carboidrati sono
insufficienti.
Ø Il catabolismo dei 20 a. acidi converge su 7
differenti intermedi.
Ø Gli amino acidi si dividono in chetogenici e
glucogenici
Ciclo di Cori
sangue
Fegato
Glicogeno
Muscolo
Glicogeno
Glucosio
Glucosio
Lattato
Lattato
sangue
Regolazione della gluconeogenesi
Insulina
Glucagone
inibisce
attiva
AcetilAcetil-CoA
attiva
(attivatore allosterico della piruvato carbossilasi)
carbossilasi)
Fruttosio 2,62,6-bisbis-fosfato
inibisce
(inibitore allosterico della fruttosio bisbis-fosfatasi)
Segnali metabolici
ad alta energia
attivano
Segnali metabolici
a bassa eneria
inibiscono
glicogeno
Glicogeno sinthesi
glicogenolisi
Glucosio 6-P
Glucosio
glicolisi
Ribosio 5-P
gluconeogenesi
Piruvato
Amino
acidi
lattato
Acetil CoA
Metaboliti ciclo Krebs
Via del Pentoso Fosfato
Glucosio + 2 NADP+ + H2O
Cellule che producono
acidi grassi
- Fegato, Adipocti-
Ribosio-5-P + CO2 + 2 NADPH + H+
Quando??
alto [NADP+] stimola
Ciò avviene quando vengono sintetizzati
acidi grassi e consumato NADPH.
(Stato di alimenazione)
alto [NADPH] inibisce
Via del Pentoso Fosfato (shunt)
• Funzioni
– Generare NADPH per le biosintesi
– Generare ribosio 5P: precursore dei nucleotidi
– Può generare anche altri metaboliti,
metaboliti, che rientrano
nella glicolisi
• La via
– Parte dal glucosio 6-P; genera 2 molecole di
NADPH ed una di CO2
– Genera diversi carboidrati con 33-, 44-, 55-, 66-, and 77atomi di carbonio
– Termina con la produzione di fruttosio 6P e
gliceraldeide 3-P, che rientrano nella glicolisi
• La via usa reazioni deidrogenasiche NADPdipendenti per ossidare, reazioni di
isomerizzazione ed epimerizzazione e, infine,
reazioni transaldolasiche e transchetolasiche (per
trasferire frammenti di 2 e 3 atomi di carbonio).
•
• E’ regolata dal rapporto [ATP]/[AMP], dalla
concentrazione cellulare del NADPH e dalla conc.
cellulare degli acidi grassi (acil-CoA)
VIA DEI PENTOSOPENTOSO-FOSFATI
Ø La via dei pentosopentoso-fosfati
fondamentali:
(via dei pentosi)
pentosi) ha due funzioni
Ø produrre il coenzima NADPH (detto
(detto “potere riducente”
riducente” della
cellula);
Ø produrre carboidrati con 5 atomi di carbonio (ed in particolare il
ribosioribosio-5-fosfato).
fosfato).
Ø In caso di particolari necessità
necessità cellulari, la via può essere utilizzata
anche come una via di ossidazione del glucosio alternativa alla
glicolisi.
glicolisi. Infatti, se la cellula ha necessità
necessità di NADPH, ma non di
carboidrati con 5 atomi di carbonio (pentosi
), questa via metabolica
(pentosi),
può trasformare il glucosio in CO2 producendo NADPH in modo
diretto.
Si può schematicamente, ma anche funzionalmente,
suddividere la via in due parti:
Øla parte ossidativa che, partendo da glucosio 66-fosfato
(un esoso), produce direttamente NADPH, CO2 e riboloso 5fosfato (un pentoso);
pentoso);
Øla parte non ossidativa,
ossidativa, che, mediante un interscambio
degli atomi di carbonio dei pentosi,
pentosi, determina la formazione
di fruttosio 66-fosfato (un esoso) e gliceraldeide 3-fosfato (un
trioso),
trioso), che sono anche metaboliti della glicolisi e della
gluconeogenesi.
gluconeogenesi.
Produzione del “potere riducente”
riducente”
•
•
•
G-6-P deidrogenasi: ossida il glucosio-6-P, producendo un lattone e NADPH.. La tappa è
irreversibile. E’ anche la tappa di comando della via: è inibita da NADPH e da acil-Coa a catena
lunga.
Il Gluconolattone prodotto nella prima tappa viene idrolizzato dalla lattonasi, una idrolasi che apre
l’anello
La 66-fosfogluconato deidrogenasi:
deidrogenasi: catalizza la decarbossilazione ossidativa del substrato in due
tappe (nella prima si forma un intermedio instabile,
instabile, non riportato in figura).
figura).
Parte “non ossidativa”
ossidativa”
La Fosfopentoso isomerasi:
isomerasi: 1a tappa della parte non ossidativa della via. E’
E’
una tappa simile a quella che nella glicolisi che isomerizza G-6P e FF-6P. Il
ribosio 5-P è il precursore di nucleotidi e cofattori (esempio:
esempio: NAD, FAD,
AMP).
Parte “non ossidativa”
ossidativa”
• La Fosfopentoso epimerasi trasforma il ribulosio 5-P in
Xilulosio 5-P
Parte “non ossidativa”
ossidativa”
La Transchetolasi:
Transchetolasi: trasferisce una unità
unità bicarboniosa da un
chetoso donatore ad un aldoso accettore,
accettore, e partecipa sia alla
6a tappa che alla 8a tappa della via dei pentosi
Parte “non ossidativa”
ossidativa”
• La Transaldolasi trasferisce un frammento a 3 atomi di carbonio da
un chetoso donatore ad un aldoso accettore.
accettore. Il donatore è il
Sedoeptulosio 7-P mentre l’accettore è la Gliceradeide 3-P.
1° Scenario:
La cellula ha
bisogno di zuccheri
con 5 atomi di
carbonio, ma non di
NADPH
2° Scenario:
La cellula ha
bisogno solo di
NADPH, non di
zuccheri con 5 atomi
di carbonio
Una delle sei molecole di glucosioglucosio-6P viene trasformata in CO2 (bruciata)
3° Scenario:
La cellula ha
bisogno NADPH e di
energia
La glutatione reduttasi mantiene il glutatione allo sato ridotto utilizzando il
potere riducente del NADPH. Infatti Catalizza la reazione:
GS-SG + NADPH + H+
2GSH + NADP+
Glutatione reduttasi
GS-SG + NADPH + H+
2GSH + NADP+
La glutatione reduttasi contiene FAD e, nella cellula, agisce
essenzialmente in modo unidirezionale.
Infatti nelle cellule il rapporto [GSH] / [GS[GS-SG] = 500 / 1
Negli eritrociti il glutatione ridotto mantiene il ferro dell’
dell’eme
2+
dell’
dell’emoglobina nello stato di ossidazione Fe
Perossido
Glutatione ossidato
Glutatione ridotto
Glutatione ridotto
Proteina
ossidata
Glutatione ossidato
Proteina
ridotta
Il GSH viene ossidato a GSGS-SG da perossidi.
Il GSH cellulare mantiene allo stato ridotto i gruppi tiolici di proteine endocellulari.
endocellulari.