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Franca Esposito » 10.Metabolismo dei carboidrati: gluconeogenesi, via del pentosio fosfato

Metabolismo glucosio

Lezione della Prof. Patrizia Carandente Giarrusso

Gluconeogenesi

Processo di biosintesi ex novo di glucosio.

Sede di tale processo sono sia il citoplasma che il mitocondrio delle cellule epatiche (90%) e renali (10%).

Nel fegato la gluconeogenesi è attiva principalmente in condizioni di digiuno per mantenere livelli di glicemia nella norma, anche dopo il consumo del glucosio della dieta e del glicogeno.

La gluconeogenesi è fondamentale per l’apporto di glucosio al cervello, eritrocita, cristallino e cornea, testicoli e midollare del surrene.

Gluconeogenesi (segue)

Sono sostanze gluconeogenetiche: lattato, piruvato, glicerolo, propionato, tutti gli aminoacidi, ad esclusione di leucina e lisina.

Acetil-CoA non può essere riconvertito a glucosio.

Gluconeogenesi (segue)

Non può svolgersi come via inversa della glicolisi.

E’ necessario sostituire tre reazioni irreversibili della glicolisi (vedi frecce).

Tratto da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica” Quinta edizione, Zanichelli.

Nel mitocondrio

Reazione 10 glicolisi irreversibile è sostituita nella gluconeogenesi da più di una reazione nel mitocondrio:

1. Reazione di carbossilazione del piruvato ad opera della piruvato carbossilasi – biotina dipendente per formare ossalacetato.

Enzima regolatore piruvato carbossilasi: richiede Acetil-Coa come effettore allosterico.

2. Successivamente, in assenza di trasportatore specifico di membrana, l’ossalacetato è ridotto a malato da malato deidrogenasi mitocondriale a spese di NADH + H⁺.

Modificato da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Nel citoplasma

Malato esce dal mitocondrio tramite specifico trasportatore e viene riossidato ad ossalacetato con produzione di NADH citosolico. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Formazione di PEP

Ossalacetato è trasformato in fosfoenolpiruvato dalla PEP carbossichinasi (citosolica o mitocondriale).

La reazione avviene:

nel mitocondrio se si parte da lattato
nel citoplasma se si parte da piruvato

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Gluconeogenesi

Via seguita

1. A partire da piruvato:

trasporto del malato dal mitocondrio al citosol e sua riconversione ad ossalacetato
spostamento di equivalenti riducenti sotto forma di NADH necessario per la gluconeogenesi

2. A partire da lattato:

lattato proveniente dalla glicolisi negli eritrociti o nel muscolo nel citosol è ossidato a piruvato e produce NADH+ H⁺
quindi piruvato nel mitocondrio è trasformato direttamente in PEP da carbossichinasi mitocondriale

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed.Zanichelli.

Gluconeogenesi (segue)

Idrolisi G6P

T1 trasporta G6P nel lume dell’ER dove è scisso dalla Glucosio-6-fosfatasi in Glu e Pi.

Questi sono trasportati tramite T2 e T3 nel citosol.

Glucosio esce dalla cellula tramite GLUT2 presente sulla membrana plasmatica contribuendo così al mantenimento dei livelli di glucosio nel sangue (omeostasi glucosio).

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principidi biochimica di Lehninger” ed.Zanichelli.

Gluconeogenesi da lattato

Mediante gluconeogenesi il lattato nelle cellule epatiche è convertito a glucosio e con il flusso sanguigno ritorna al muscolo dove si riforma il glicogeno utilizzato durante lo sforzo muscolare prolungato.

Ciclo di Cori. Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principidi biochimica di Lehninger” ed.Zanichelli.

Gluconeogenesi da glicerolo

Anche il glicerolo proveniente dall’idrolisi dei trigliceridi è un precursore del processo di gluconeogenesi.

Bilancio energetico gluconeogenesi

2Piruvato + 4ATP + 2GTP +2NADH+ H⁺+ 4H₂O

↓

Glucosio + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD⁺

Per ogni molecola di glucosio formata dal piruvato sono consumati sei legami fosforici ad alta energia (4ATP e 2GTP).

Regolazione

La glicolisi e la gluconeogenesi sono reciprocamente regolate, per cui se una è accelerata l’altra è rallentata e viceversa.

Ciò avviene tramite:

effetti allosterici
modificazione covalente per fosforilazione reversibile
cambiamenti della velocità di sintesi degli enzimi

Regolazione

La glicolisi è principalmente regolata a livello della terza tappa irreversibile, catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 (PFK-1).

La gluconeogenesi è essenzialmente regolata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi (FBPasi-1) che catalizzata la reazione inversa della PFK-1.

Questi due enzimi sono regolati in maniera opposta dal fruttosio-2,6-bisfosfato, attivatore allosterico della PFK-1 e contemporaneamente potente inibitore della FBPasi-1.

I livelli di fruttosio-2,6-bisfosfato sono regolati da enzima bifunzionale che catalizza in modo alternativo:

a) la sua formazione, tramite la fosfofruttochinasi-2 (PFK-2);
b)la sua idrolisi, tramite fruttosio-2,6-bisfosfatasi-2 (FBPasi-2).

L’attività di questo enzima funzionale è sotto il controllo degli ormoni insulina e glucagone (vedi lez 9 glicolisi).

Regolazione (segue)

Tratto da: JM Berg, JL Tymoczko, L Stryer “Biochimica” Quinta edizione, Zanichelli.

Ossidazione via pentosio fosfato

Via del pentosio fosfato

Altro destino metabolico del glucosio.

Tessuti interessati: Fegato, Ghiandola mammaria, corteccia surrenale, tessuto adiposo.

Via catabolica ossidativa del glucosio-6-fosfato, alternativa alla glicolisi.

Converte gli esosi in pentosi, ribosio 5-P.

Produce potere riducente sotto forma di NADPH + H⁺ in sede extramitocondriale utilizzabile per le sintesi riduttive in processi anabolici.

Inoltre questa via converte glucosio alternativamente in ribosio o in intermedi della glicolisi.

Via metabolica suddivisa in 2 fasi

1^a Fase ossidativa, reazioni irreversibili si ha:

NADPH + H⁺, Ribosio-5P e CO₂

2^a Fase reversibile delle “interconversioni degli zuccheri”.

La via del pentoso fosfato può terminare anche prima del completamento delle fasi.

La reazione complessiva della via del pentoso fosfato è:

3 G6P + 6 NADP⁺ + 3 H₂O –––> 3 CO₂ + 6 NADPH + H⁺ + 2 F6P + GAP

Quindi 2 molecole di G6P sono convertite in F6P mentre l’altra G6P è trasformata in 3 CO₂ ed una GAP; inoltre dallo shunt si ricavano 6 molecole di NADPH + H⁺.

Via del pentosio fosfato: schema generale

Questa deviazione (shunt) dalla glicolisi prevede:

1. Fase ossidativa con formazione di:

NADPH per sintesi anaboliche (acidi grassi, colesterolo ormoni steroidei)
NADPH riduce il glutatione per prevenire danno ossidativo da radicali liberi in eritrociti, cellule di cornea e cristallino
Ribosio-5-fosfato per sintesi di DNA, RNA, coenzimi

2. Fase non ossidativa con formazione di:

In caso di mancato consumo di ribosio-5P, la via del pentoso fosfato rientra nella glicolisi grazie alla interconversione tra gli zuccheri

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principidi biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Via del pentosio fosfato: fase ossidativa

Fase ossidativa 1

1 Reazione: ossidazione di Glucosio-6P a 6-Fosfogluconolattone tramite Glucosio-6P deidrogenasi (G6PD) e produzione di NADPH + H⁺

2 Reazione: Lattone è idrolizzato a 6-fosfogluconato da una lattonasi

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Via del pentosio fosfato: fase ossidativa (segue)

Fase ossidativa 2

3 Reazione: decarbossilazione ossidativa di 6PGluconato a D-Ribulosio 5P tramite 6 Fosfogluconato deidrogenasi e produzione di NADPH + H⁺ e CO₂

4 Reazione: conversione del Ribulosio 5P nel suo isomero Ribosio 5P

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Via del pentosio fosfato

Fase non ossidativa

In queste reazioni gli zuccheri a 3, 4, 5, 6, e 7 atomi di C sono continuamente interconvertiti tra loro.

Queste reazioni reversibili permettono al ribulosio 5-P di essere trasformato in ribosio 5-P (che serve alla sintesi dei nucleotidi) oppure in intermedi della glicolisi quali il fruttosio 6-P e la gliceraldeide 3-P.

Il ribulosio 5-P può essere isomerizzato a ribosio 5-P (da una chetoisomerasi) oppure a xilulosio 5-P (da una epimerasi).

I pentosi possono essere convertiti in altri zuccheri tramite due enzimi: la transchetolasi (che trasferisce frammenti bicarboniosi) e la transaldolasi (che trasferisce frammenti a 3 atomi di C).

Queste reazioni possono compiere un’interconversione di zuccheri in modo da utilizzare i prodotti dell’ossidazione del glucosio per formare intermedi della glicolisi (fruttosio 6-P e gliceraldeide 3-P).

Schema fase non ossidativa

In questa fase intervengono due enzimi:

Transchetolasi che trasferisce 2C da Xilulosio 5P al ribosio 5P formando Sedoeptulosio 7P e Gliceraldeide 3P
Transaldolasi che trasferisce da Sedoeptulosio 7P 3C a Gliceraldeide 3P formando Fruttosio 6P ed Eritrosio 4P

Quindi attraverso una serie di conversioni successive in questa fase i Pentosi P diventano Esosi P.

Glucosio 6P può essere quindi ossidato a Ribosio 5P

Tratto da: DL Nelson e MM Cox “I Principi di biochimica di Lehninger” ed. Zanichelli.

Schema fase non ossidativa (segue)

Se la richiesta di ribosio per la sintesi degli ac. nucleici è superiore alla richiesta di NADPH, si produce ribosio-5-P a partire dalla gliceraldeide-3-P e dal fruttosio-6-P, anche se le tappe ossidative sono bloccate.

Molte cellule che svolgono biosintesi riduttive hanno bisogno di NADPH, più che di ribosio 5-P: in tal caso la transchetolasi e la transaldolasi convertono il ribulosio 5-P in gliceraldeide 3-P e fruttosio 6-P.

La parte ossidativa della via metabolica non è strettamente necessaria per la formazione del ribosio 5-P poiché le isomerasi catalizzano reazioni reversibili, la seconda parte della via può esistere indipendentemente dalla prima.

Ripartizione Glucosio 6P

Ingresso nella glicolisi o nella via del pentosio fosfato è regolato da [NADP⁺] e [ NADPH].

Quando la velocità di formazione di NADPH è > di quella del suo utilizzo nelle biosintesi riduttive e riduzione glutatione, [NADPH] inibisce primo enzima della via, G6PD, per cui Glucosio 6-P è convogliato nella glicolisi.