Gluconeogenesi - Schemi riassuntivi di Biochimica

GLUCONEOGENESI

Nei mammiferi alcuni tessuti dipendono quasi totalmente dal glucosio per

l’approvvigionamento di energia metabolica. Per il cervello e il sistema nervoso

dell’uomo, i testicoli, la parte midollare del rene e i tessuti embrionali, il glucosio

presente nel sangue è la sola o la principale sostanza nutriente.

Non sempre la quantità di glucosio fornito è sufficiente al fabbisogno

dell’organismo. Tra i pasti e durante 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 formazione di

glucosio da precursori non saccaridici è chiamata gluconeogenesi.

Questo processo utilizza il piruvato e i composti a 3 o 4 atomi di C a esso correlati.

Negli animali i precursori del glucosio sono i composti a 3 atomi di C come il lattato,

il piruvato, il glicerolo e altri amminoacidi.

La gluconeogenesi, dunque, è una via anabolica utilizzata per re‐sintetizzare

glucosio a partire da molecole non glucidiche.

Sebbene le riserve di glucosio possano essere immagazzinate nel fegato sotto forma

di glicogeno, in condizioni di forte digiuno, tale riserva può alimentare il glucosio

come carburante principale solo per poco tempo. Durante il digiuno quindi la

maggior parte del glucosio necessario al corpo per “funzionare” deve essere

sintetizzato tramite la gluconeogenesi.

La gluconeogenesi e la glicolisi non sono vie metaboliche identiche percorse in

direzioni opposte, anche se condividono diverse tappe. Sette delle 10 reazioni

enzimatiche della gluconeogenesi sono reazioni della glicolisi che avvengono nella

direzione opposta.

Tre reazioni della glicolisi sono però essenzialmente irreversibili in vivo e non sono

utilizzabili nella gluconeogenesi:

1. la conversione del glucosio in glucosio 6‐fosfato da parte dell’enzima

esochinasi

2. la fosforilazione del fruttosio 6‐fosfato a fruttosio 1,6‐bisfosfato da parte della

fosfofruttochinasi‐1

3. la conversione del fosfoenolpiruvato in piruvato da parte della piruvato

chinasi

nelle cellule queste 3 reazioni hanno una variazione dell’energia libera, ΔG,

fortemente negativa, mentre le altre 7 razioni hanno un valore di ΔG vicino a 0.

Nella gluconeogenesi, queste 3 tappe sono superate mediante un diverso gruppo di

enzimi, che catalizzano reazioni sufficientemente esoergoniche da essere

ugualmente irreversibili nella direzione della sintesi del glucosio.

Il fatto che la via catabolica (glicolisi) e la via anabolica (gluconeogenesi) siano

separate, permette alle due vie di esser regolate indipendentemente l’una dall’altra.

GLUCONEOGENESI

L’ossalacetato è il componente di partenza della gluconeogenesi. Tutte le molecole

di partenza per la sintesi di glucosio devono essere prima convertite in ossalacetato.

REAZIONI DI DEVIAZIONE DELLA GLUCONEOGENESI

1. La prima reazione di “deviazione” della gluconeogenesi è la conversione del

piruvato in fosfoenolpiruvato (PEP) (tappa 10). Questa reazione non può

avvenire per semplice inversione della reazione della piruvato chinasi nella

glicolisi. La fosforilazione del piruvato avviene tramite due tappe catalizzate

da due enzimi: la piruvato carbossilasi e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi e

richiede il dispendio di energia medianet l’idrolisi di nucleotidi trifosfato (ATP

e GTP).

TAPPA 1:

La piruvato carbossilasi, un enzima mitocondriale che richiede il coenzima

biotina, converte il piruvato in ossalacetato .

Il carbossi fosfato (sintetizzato mediante l’idrolisi di ATP) conserva abbastanza

energia libera da permettere il trasferimento della CO al gruppo prostetico

2

viene quindi trasferita al piruvato. Il

dell’enzima (biotina). La CO 2

al piruvato è abbastanza esoergonico da non

trasferimento della CO 2

richiedere l’introduzione di ulteriore energia libera.

TAPPA 2:

In questa tappa l’ossalacetato viene nuovamente decarbossilato per fornire

l’energia libera sufficiente a convertirlo in PEP.

In questa tappa interviene la fosfoenolpiruvato carbossichinasi, un enzima che

richiede GTP come donatore del gruppo fosforico.

La formazione di un composto con un elevato contenuto energetico (PEP) è

bilanciata, quindi, dall’idrolisi di un altro composto ad alta energia il GTP.

La reazione complessiva per questa serie di reazioni che possono essere

considerate come una deviazione della via glicolitica è:

Per fosforilare la molecol di piruvato a PEP sono necessari due gruppi fosforici

ad alta energia (uno dell’ATP e uno del GTP). Invece quando nella glicolisi il

PEP viene convertito in piruvato, viene generata una sola molecola di ATP da

persa nella reazione della PEP carbossichinasi

ADP. Si noti inoltre che la CO 2

(tappa 2) è la stessa molecola che era stata aggiunta al piruvato nella reazione

della piruvato carbossilasi.

Gli enzimi responsabili della gluconeogenesi sono presenti in compartimenti

diversi della cellula: il piruvato viene dapprima trasferito dal citosol ai

mitocondri, oppure viene generato direttamente dall’alanina all’interno dei

mitocondri per transamminazione. Poiché la membrana mitocondriale non ha

trasportatori per l’ossalacetato, prima di essere esportato nel citosol

l’ossalacetato formato dal piruvato deve essere ridotto a malato dalla malato

deidrogenasi mitocondriale a spese del NADH:

Il malato quindi esce dal mitocondrio mediante un trasportatore specifico

localizzato sulla membrana mitocondriale interna e nel citosol viene riossidato

a ossalacetato, con produzione di NADH citosolitico:

Si hanno anche delle vie alternative da piruvato a fosfoenol piruvato:



Una seconda deviazione piruvato PEP diventa predominante quando il

precursore della gluconeogenesi è il lattato. In questa via viene utilizzato il

lattato prodotto dalla glicolisi negli eritrociti o nel muscolo dopo un esercizio

fisico prolungato. La conversione del lattato in piruvato nel citosol degli

epatociti genera NADH e quindi non è più necessaria l’esportazione di malato

dai mitocondri. Il piruvato prodotto nella reazione della lattato deidrogenasi

viene trasportato all’interno dei mitocondri, dove viene trasformato in

ossalacetato dalla piruvato carbossilasi. L’ossalacetato viene convertito in PEP

direttamente nei mitocondri a opera di una forma mitocondriale di PEP

carbossichinasi. Il prodotto di questa reazione esce dai mitocondri per entrare

nella via gluconeogenetica.

Dal PEP al FBP, gli enzimi gluconeogenici sono gli stessi della via glicolitica che

operano però in senso opposto.

2. La seconda reazione della sequenza glicoltica che non partecipa alla

gluconeogenesi è la fosforilazione del fruttosi 6‐fosfato catalizzata dalla

fosfofruttochinasi‐1 (tappa 3). Dato che nella cellula questa reazione è

altamente esoergonica e quindi irreversibile, la formazione di fruttosio 6‐

2+ ‐

fosfato da fruttosio 1,6‐bisfosfato è catalizzata da un altro enzima, Mg

dipendente, la fruttosio 1,6‐bisfosfatasi (FBPasi‐1), che promuove l’idrolisi

essenzialmente irreversibile del gruppo fosforico sull’atomo C‐1.

3. La terza deviazione è la reazione finale della gluconeogenesi, la

defosforilazione del glucosio 6‐fosfato a glucosio libero.

La reazione inversa dell’esochinasi richiederebbe il trasferimento del gruppo

fosforico del glucosio 6‐fosfato all’ADP, con formazione di ATP, una reazione

sfavorevole sotto l’aspetto energetico (tappa 1).

La reazione catalizzata dall’enzima glucosio 6‐fosfatasi non richiede la sintesi

di ATP, essa è semplicemente l’idrolisi di un estere fosforico:

Quindi durante la gluconeogenesi, poiché le defosforilazioni di FBP e di G6P non

avvengono con recupero di ATP, c’è dispendio di energia. Le due molecole di ATP

nella fase di investimento della glicolisi non vengono recuperate.

Tecnicamente glicolisi e gluconeogenesi formano un ciclo futile, ATP e GTP vengono

sprecati.

In realtà le due vie non sono mai attivate con la stessa intensità in entrambe le

direzioni, e sono invece regolate per avere un flusso netto anabolico o catabolico, a

seconda delle esigenze metaboliche!

Per ogni molecola di glucosio che si forma dal piruvato vengono consumati 6 legami

fosforici ad alta energia, 4 dell’ATP e 2 del GTP. Sono inoltre necessarie 2 molecole

di NADH per la riduzione di 2 molecole di 1,3‐bisfosfoglicerato. Quindi la biosintesi di

glucosio a partire dal piruvato è un processo relativamente dispendioso. Molta

dell’energia libera necessaria viene spesa per rendere la gluconeogenesi un

processo irreversibile. In sostanza sia la glicolisi sia la gluconeogenesi sono processi

irreversibili nelle condizioni esistenti nella cellula.

La via biosintetica descritta in precedenza consente una sintesi netta di glucosio non

solo dal piruvato, ma anche dagli intermedi a 4, 5 o 6 atomi di C del TCA: citrato,

isocitrato, α‐chetoglutarato, succinil‐CoA, succinato, fumarato e malato.

Tutti questi composti vengono ossidati nel ciclo dell’acido citrico e sono trasformati

in ossalacetato.

Tutti o quasi, gli atomi di C della maggior parte degli amminoacidi derivati dalle

proteine sono in definitiva catabolizzati a piruvato o intermedi del ciclo di Krebs. Gli