Biochimica e Introduzione alla biochimica

GTP).

 Oltre all’acetil-CoA, il ciclo dell’acido citrico può ossidare qualsiasi composto che possa essere convertito

in un intermedio del ciclo a quattro o cinque atomi di carbonio, ad esempio i prodotti della demolizione

di molti amminoacidi.

 È anfibolico, avendo funzioni sia cataboliche, sia anaboliche; gli intermedi del ciclo possono essere

utilizzati come materiali di partenza per ottenere diversi prodotti biosintetici.

 Quando vengono sottratti al ciclo alcuni intermedi per essere utilizzati in altre vie, essi sono rimpiazati

attraverso le reazioni anaplerotiche che forniscono composti a 4 C con la carbossilazione di composti a

tre atomi di carbonio. 38

GLUCONEOGENESI

Nei mammiferi, alcuni tessuti dipendono quasi completamente dal glucosio per l’approvvigionamento di

energia metabolica. Per il cervello e il sistema nervoso dell’uomo, come per gli eritrociti, i testicoli, la parte

midollare del rene ed i tessuti embrionali, il glucosio presente nel sangue è la sola o la principale sostanza

nutriente. Non sempre la quantità di glucosio fornito da queste riserve è sufficiente al fabbisogno

dell’organismo; tra i pasti e durante gli esercizi fisici più lunghi, o più impegnativi, il glicogeno viene

consumato. In queste occasioni per gli organismi è necessario un modo per sintetizzare il glucosio da

precursori non glucidici.

La gluconeogenesi comporta la formazione di glucosio a partire da precursori non glucidici, utilizza il piruvato

e i composti a 3 o 4 atomi di C ad esso correlati.

Si attiva lontano dai pasti, in particolare nei casi di digiuno prolungato, quando l’organismo ha esaurito le

riserve glicidiche (glicogeno epatico) e inizia a demolire le proteine secondo un controllo ormonale (cortisone,

cortisolo, aldosterone).

Il glicogeno epatico può soddisfare le esigenze di glucosio dell’organismo (a digiuno) solo per 10-24 ore (a

seconda delle condizioni).

Il processo avviene principalmente nel fegato e in misura minore nella corteccia del rene e nelle cellule

epiteliali della mucosa dell’intestino tenue ed è molto importante per encefalo, globuli rossi (non possiedono

mitocondri), surreni, cornea, cristallino, testicoli, muscoli in esercizio, che richiedono un continuo apporto di

glucosio come combustibile metabolico (dipendono totalmente o quasi dall’apporto di glucosio con il

sangue).

Il cervello necessita di ca. 120g di glucosio al giorno, 160g sono il fabbisogno totale dell’organismo, 190g

sono quelli che in totale il fegato può ricavare dal glicogeno (dopo un giorno di digiuno il fegato ha

praticamente esaurito la sua scorta di glicogeno).

Durante il digiuno notturno circa il 90% della gluconeogenesi avviene nel fegato, il rimanente 10% nei reni.

Durante il digiuno prolungato i reni arrivano fino al 40% della produzione totale.

*Il meccanismo enzimatico per la gluconeogenesi è estremamente sviluppato nelle bovine da latte mentre

l’ossidazione del glucosio nei ruminanti è inferiore rispetto ai non ruminanti.

I principali precursori non glicidici sono:

LATTATO

 proveniente dagli eritrociti e dal muscolo scheletrico sotto sforzo → convertito in piruvato.

AMINOACIDI

 derivati dalle proteine introdotte con la dieta e, soprattutto nel digiuno, dalle proteine del muscolo

α-chetoacidi.

scheletrico. → convertiti in

GLICEROLO

 proveniente dalla demolizione dei trigliceridi (tessuto adiposo → sangue → fegato) → convertito in

glicerolo fosfato.

Gli unici aminoacidi che negli animali non possono fornire precursori per la sintesi del glucosio sono leucina

e lisina perché dal loro catabolismo si genera esclusivamente acetil-CoA e nei mammiferi non vi è nessuna

via metabolica per convertirlo in ossalacetato (non si torna indietro dalla decarbossilazione ossidativa). A

digiuno originano corpi chetonici, fonte energetica alternativa rispetto al glucosio. Per lo stesso motivo,

anche gli acidi grassi negli animali non possono servire da precursori del glucosio, poiché sono catabolizzati

ad Acetil-CoA (va al ciclo di Krebs). Dal loro catabolismo si forma per l’ATP che viene utilizzato per la

gluconeogenesi.

Durante la gluconeogenesi gli enzimi regolatori della glicolisi sono relativamente inattivi. 39

La spesa energetica per la sintesi di glucosio è maggiore dell’energia ricavata dalla glicolisi.

L’equazione netta della gluconeogenesi è: Per ogni molecola di glucosio prodotta,

vengono consumati 4 legami fosforici dell’ATP e

2 del GTP.

Sono inoltre necessarie 2 molecole di NADH che

non andando alla catena respiratoria, significano

6 ATP in meno.

La biosintesi del glucosio dal piruvato è un

processo dispendioso da un punto di vista

energetico: l’idrolisi di ATP e di GTP serve per

rendere possibile un processo energeticamente

sfavorevole (l’inverso della glicolisi che è

energeticamente favorevole).

La gluconeogenesi non è semplicemente

l’inverso della glicolisi perché ci sono tre reazioni

in vivo

irreversibili .

*Sette delle reazioni della glicolisi sono

reversibili e gli enzimi che le catalizzano fanno

parte anche del processo gluconeogenetico; tre

reazioni sono invece molto esoergoniche e sono

quindi essenzialmente irreversibili, sono le

reazioni catalizzate da esochinasi, PFK-1 e dalla

piruvato chinasi. Per questo motivo la

gluconeogenesi non è semplicemente l’inverso

della glicolisi, in quanto deve utilizzare reazioni

che permettano di aggirare queste tre

pressoché irreversibili. Le reazioni delle

deviazioni hanno anch’esse ∆G’ negativo perciò

se le due vie (glicolisi e gluconeogenesi)

procedessero contemporaneamente, si avrebbe

un consumo di ATP senza svolgere nessun

lavoro chimico o biologico.*

Le tre reazioni irreversibili sono:

❖ 

Tappa 10 PEP + ADP → piruvato + ATP

Piruvato Chinasi (PK) libera troppa energia per

essere reversibile in un solo passaggio

❖ 

Tappa 3 Fruttosio 6P + ATP → F1,6 BP + ADP

Fosfofruttochinasi-1 (PFK-1)

❖ 

Tappa 1 Glucosio + ATP → G6P + ADP

Esochinasi (EK) 40

Queste tre tappe sono superate mediante un diverso gruppo di enzimi che catalizzano reazione

sufficientemente esoergoniche da essere ugualmente irreversibili (come le corrispettive della glicolisi) nella

direzione della sintesi del glucosio.

1) Piruvato → ossalacetato → fosfoenolpiruvato (PEP)

(trasformazione catalizzata da enzimi sia citoplasmatici che mitocondriali; la reazione è spezzata in due

passaggi).

Il piruvato viene prima trasferito dal citosol ai mitocondri, quindi la piruvato carbossilasi, un enzima

mitocondriale, converte il piruvato in ossalacetato:

3-

piruvato + HCO + ATP → ossalacetato + ADP + P i

La piruvato carbossilasi è un grande complesso enzimatico costituito da 4 subunità identiche; ognuna

presenta un gruppo prostetico di biotina legato covalentemente a un residuo di lisina. La biotina serve per

3-

aggiungere la CO al piruvato (N.B. la CO deriva dal bicarbonato HCO ).

2 2

Attivatore allosterico dell’enzima è l’acetil-CoA (la biotina non si carbossila se l’acetil-CoA non è legato

all’enzima) perché deriva dall’ossidazione degli acidi grassi e un suo accumulo segnala la disponibilità di acidi

grassi come combustibili. La piruvato carbossilasi ha sede mitocondriale: per essere

trasportato attraverso la membrana mitocondriale,

impermeabile all’ossalacetato, l’ossalacetato viene

convertito in malato, ad opera di una malato deidrogenasi

(MDH) NADH dipendente. La reazione è facilmente

reversibile, infatti nel citosol il malato viene riconvertito ad

ossalacetato.

Infine, nel citoplasma, l’ossalacetato viene simultaneamente decarbossilato e fosforilato dalla

fosfoenolpiruvato carbossichinasi (PEPCK) che utilizza GTP. La fosforilazione è resa termodinamicamente

possibile dalla concomitante idrolisi del GTP e dalla decarbossilazione.

Complessivamente, la sintesi a partire da piruvato di un composto ad altissima energia libera di idrolisi come

il PEP è reso possibile dalla concomitante idrolisi di 1 ATP e 1 GTP.

2) Defosforilazione del F-1,6 BP in F6P.

La seconda reazione della sequenza glicolitica che non partecipa alla gluconeogenesi è la fosforilazione del

fruttosio 6-fosfato catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1. Dato che nella cellula questa reazione è altamente

esoergonica e quindi irreversibile, la formazione di fruttosio 6-fosfato da fruttosio 1,6-bisfosfato è catalizzato

dall’enzima Fruttosio 1,6 bisfosfatasi (FBPasi-1), che promuove l’idrolisi irreversibile del gruppo fosforico in C-

1 e NON il suo trasferimento all’ADP. Rimuove il P liberando P inorganico, senza legarlo all’ADP.

i

I regolatori allosterici sono:

+ ATP: attiva la gluconeogenesi.

- AMP, Fruttosio 2,6 BP: attiva la glicolisi.

Per quanto riguarda la regolazione ormonale il glucagone attiva la gluconeogenesi epatica abbassando [F 2,6

BP]; l’insulina inibisce la gluconeogenesi epatica alzando [F 2,6 BP].

3) Defosforilazione del G6P in glucosio.

La terza deviazione è la reazione finale della gluconeogenesi, la defosforilazione del glucosio 6-fosfato a

glucosio libero. L’enzima Glucosio 6-fosfatasi agisce come fosfoidrolasi, non richiedendo la sintesi di ATP.

Presente nel lume del reticolo endoplasmatico soprattutto negli epatociti (in misura minore nel rene e

intestino) → il fegato rifornisce di glucosio il sangue. 41

Regolazione della gluconeogenesi

Glicolisi e gluconeogenesi nella cellula sono due processi strettamente coordinati, in modo che una via sia

relativamente inattiva quando l’altra è pienamente attiva (→ viene evitato che siano attive

contemporaneamente).

Sia la quantità che l’attività degli enzimi chiave di ciascuna via sono controllati in modo da impedire che

entrambe le vie siano pienamente attive nello stesso momento.

Regolazione ormonale:

Il glucagone stimola la gluconeogenesi epatica attivando gli enzimi gluconeogentici attraverso tre meccanismi:

→ fa abbassare il livello del F2,6BF favorendo così la gluconeogenesi (stimola la fruttosio 1,6- bisfosfatasi)

rispetto alla glicolisi (inattiva la PFK-1).

→ Induce la fosforilazione della piruvato chinasi (PK) epatica inattivandola. Si accumula PEP che viene

indirizzato alla gluconeogenesi (non venendo trasformato in piruvato).

→ Fa aumentare la sintesi della PEP - carbossichinasi.

I glucocorticoidi fanno anch’essi aumentare la sintesi della PEP-carbossichinasi, mentre l’insulina la fa

diminuire.

L’insulina inibisce la gluconeoenesi epatica, fa prevalere la glicolisi epatica attivando gli enzimi glicolitici.

β-ossidazione

In carenza di gluco