Gluconeogenesi e sintesi dei carboidrati   La gluconeogenesi è il processo che produce glucosio da molecole più semplici. Nelle piante è una delle principali vie che porta alla possibile sintesi di carboidrati più complessi Gli animali possono essere invece divisi in due gruppi a seconda dell’importanza della gluconeogenesi:  1) I non ruminanti che prendono il glucosio presente nel cibo attraverso la rottura dei carboidrati a livello del carbonio e in cui, a parte un modesto apporto di glicogeno sintetizzato, il metabolismo del glucosio si riduce essenzialmente all’ossidazione di tale composto 

2) I ruminanti che ricevono un limitato apporto di glucosio dall’intestino contando maggiormente sulla sintesi e utilizzo di acidi grassi, principalmente propionato. Il percorso è veramente attivo perché i ruminanti hanno una grossa richiesta per il glucosio come fonte energetica nei tessuti e, nel caso di animali in lattazione, per produrre lattosio

I materiali di partenza   Molti metaboliti possono essere usati come materiali di partenza per la gluconeogenesi Composti a tre atomi di carbonio come il PIRUVATO, il FOSFOENOLPIRUVATO o i TRIOSO FOSFATI possono essere tutti trasformati in glucosio e sono detti materiali gluconeogenetici La reazione dove l’acetil-CoA è prodotto dal piruvato (piruvato deidrogenasi) è irreversibile in organismi dove manca il ciclo del gliossilato Quindi l’acetil-CoA e i composti collegati (gli acidi grassi, corpi chetonici, gli amminoacidi chetogeni) non possono essere usati per la sintesi del glucosio

Il ciclo gluconeogenetico   In realtà il percorso metabolico è molto simile a una glicolisi inversa. Esistono tuttavia differenze tali che permettono alla via di procedere verso la sintesi di glucosio all’interno della cellula Come noto la glicolisi presenta delle reazioni irreversibili che debbono venire in qualche modo “superate” se vogliamo procedere in senso inverso. Ciò viene effettuato attraverso l’utilizzazione di enzimi diversi che catalizzano reazioni che altrimenti sarebbero irreversibili

Differenze tra gluconeogenesi e glicolisi   Ci sono tre reazioni nella glicolisi che sono essenzialmente irreversibili perché sono accompagnate da un cambiamento di energia libera estremamente negativa: 1)   esochinasi/glucochinasi 2)   fosfo fruttochinasi 3)   piruvato chinasi Il percorso che porta alla sintesi del glucosio deve superare queste reazioni irreversibili attraverso una serie di reazioni by-pass. Queste reazioni contribuiscono anche al controllo del flusso del percorso biochimico

Gluconeogenesi attraverso il piruvato   In condizioni normali il piruvato non si trova in alte concentrazioni nelle cellule, ma altri precursori come malato, lattato e amminoacidi glucogenici hanno come intermedio questo metabolita A causa dell’irreversibilità dell’enzima piruvato chinasi, la produzione diretta di fosfoenolpiruvato dal piruvato non è possibile; per questo viene seguito un percorso a due stadi Tale breve sequenza è complicata dal fatto che essa ha luogo in parti differenti della cellula

L’aggiramento della piruvato chinasi richiede quindi due reazioni, la prima delle quali è catalizzata dalla PIRUVATO CARBOSSILASI. La reazione, ATP- e Biotina-dipendente, converte il piruvato in ossalacetato Questa reazione rappresenta una via anaplerotica attraverso cui viene mantenuto costante il livello di OAA nel ciclo TCA ed avviene nella matrice mitocondriale

Questo OAA, formato per poter essere utilizzato nella gluconeogenesi, deve spostarsi dal mitocondrio al citosol dove invece avvengono le reazioni della gluconeogenesi La membrana mitocondriale è tuttavia relativamente impermeabile all’OAA di conseguenza l’OAA viene ridotto a MALATO dalla MALATO DEIDROGENASI mitocondriale

Il malato viene quindi trasportato nel citosol e qui, ad opera di una MALATO DEIDROGENASI citosolica, viene nuovamente trasformato in OAA Una volta nel citosol l’OAA viene convertito in PEP ad opera della FOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSICHINASI (PEPCK). La CO2 fissata dalla piruvato carbossilasi viene ora persa per cui non si ha fissazione netta di questo gas

Questo passaggio richiede energia per avvenire, in questo caso sotto forma di GTP Questo significa che la conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato necessita di due gruppi fosfato ad alta energia, mentre la reazione inversa ne produce uno solo Se entrambe le sequenze di queste reazioni fossero attive allo stesso tempo, l’effetto totale sarebbe che una mole di ATP e una di GTP sarebbero usate e solo una mole di ATP sarebbe prodotta

La produzione di fruttosio-1,6-difosfato La conversione del fosfoenolpiruvato in fruttosio-1,6-difosfato è l’esatto inverso dei passaggi equivalenti nella glicolisi. I cambiamenti di energia libera per ciascuna di queste reazioni sono molto piccoli

Conversione del fruttosio-1,6-bis-fosfato in fruttosio-6-fosfato Nella glicolisi, la fosfofruttochinasi usa l’ATP per aggiungere il gruppo fosfato al fruttosio-6-fosfato in una reazione praticamente irreversibile Nella gluconeogenesi l’azione inversa coinvolge la semplice idrolisi del gruppo fosfato attraverso l’enzima FRUTTOSIO-1,6-DIFOSFATASI Fruttosio-1,6-bisfosfato + H2O  fruttosio-6-fosfato + Pi G0’ = - 16.3 kJ/mol L’enzima richiede ioni Mg e rappresenta uno dei più importanti siti di regolazione della via

Conversione del fruttosio-6-fosfato in glucosio La conversione da fruttosio-6-P a glucosio-6-P è operata dalla FOSFOESOSO ISOMERASI, mentre la reazione sino a glucosio necessita di un altro enzima, la GLUCOSIO-6-FOSFATASI, che opera una semplice idrolisi del gruppo fosfato

Stechiometria e bilancio energetico della gluconeogenesi La conversione di 2 moli di piruvato in una mole di glucosio è una processo esoergonico nel suo complesso Il G0’ per il processo complessivo è pari a - 47.6 kJ/mol Occorre infatti considerare che vengono consumate 6 moli di ATP e 2 moli di NADH (altri 6 ATP in termini di riossidazione) Se, al contrario, la glicolisi procedesse in senso inverso, si avrebbe il consumo di 2 moli di NADH e 2 di ATP, ma la reazione sarebbe tuttavia altamente endoergonica (G0’ =+73.3 kJ/mol)

Substrati per la gluconeogenesi La gluconeogenesi può avere diversi precursori, vediamo i più importanti: Lattato Precursore più significativo della gluconeogenesi, basti pensare alla sua produzione tramite la fermentazione omolattica Negli animali il lattato che entra nel fegato viene riossidato a piruvato il quale, tramite la gluconeogenesi, si trasforma in glucosio, ceduto al sangue ed assorbito dal muscolo dove può essere convertito in glicogeno

Amminoacidi Gli amminoacidi possono venire convertiti in glucosio soprattutto attraverso le vie degradative che producono gli intermedi del ciclo TCA, i quali a loro volta possono venire convertiti in OAA Questi amminoacidi sono definiti GLUCOGENICI Tra tutti gli a.a. essenziali solo la LISINA e la LEUCINA non generano precursori gluconeogenici

Propionato  Un percorso che è di grande importanza nell’agricoltura è quello che avviene in molti ruminanti Nei non ruminanti la maggior forma di energia utilizzabile è quella sotto forma di glucosio; nei ruminanti tale ruolo è assunto da un gruppo di acidi grassi volatili (VFAs). Nonostante l’importanza che i VFAs rivestono nella nutrizione dei ruminanti, gli animali hanno ancora bisogno del glucosio per una serie di importanti funzioni quali il rifornimento di energia al cervello e ai tessuti nervosi

L’importanza del glucosio cresce gradualmente durante la lattazione L’importanza del glucosio cresce gradualmente durante la lattazione. Solo uno dei più importanti VFAs, il propionato, è capace di servire come precursore per la sintesi del glucosio Il primo passo del percorso metabolico è simile a quello degli acidi grassi: la conversione del propionato in propionil-CoA. Quindi, gli unici passaggi inusuali sono quelli che convertono il propionato in succinil-CoA

Dapprima una propionil-CoA carbossilasi catalizza la formazione del metilmalonil-CoA Il meccanismo di reazione è molto simile ad uno dei primi stadi della sintesi degli acidi grassi quando la CO2 viene aggiunta all’acetil-CoA per produrre malonil-CoA (acetil-CoA carbossilasi) La reazione, che è irreversibile, richiede energia sotto forma di ATP ed utilizza la biotina come coenzima, trasportatore di CO2  

Il metilmalonil-CoA formatosi viene modificato per produrre succinil-CoA dall’enzima metilmalonil-CoA mutasi Questo enzima è abbastanza inusuale perché è uno dei pochi che usa la vitamina B12 come cofattore. La deficienza di cobalto nei ruminanti potrebbe dunque, interferire con questa reazione che è fondamentale in tali organismi Il succinil-CoA è usato per produrre fosfoenolpiruvato attraverso l’ossalacetato, che viene poi usato per la sintesi del glucosio-6-fosfato

Regolazione della gluconeogenesi La gluconeogenesi e la glicolisi avvengono entrambe nel citosol e poiché la gluconeogenesi produce carboidrati mentre la glicolisi li catabolizza, le due vie devono essere regolate in modo reciproco In altre parole le condizioni cellulari che inibiscono una via attivano l’altra e viceversa I principali siti di regolazione della gluconeogenesi sono al livello delle reazioni catalizzate dalla GLUCOSIO-6-FOSFATASI, FRUTTOSIO-1,6-BISFOSFATASI e dalla combinazione della PIRUVATO CARBOSSILASI e della PEP CARBOSSICHINASI

Glucosio-6-fosfatasi Non è regolata allostericamente, ma la sua Km per il glucosio-6-fosfato è molto più alta della sua concentrazione intracellulare; in questo modo l’attività è regolata dalla concentrazione di questo substrato in una cinetica di 1 ordine Fruttosio-1,6-bisfosfatasi E’ fortemente inibita dall’AMP così come la fosfo- fruttochinasi è attivata da AMP Questo ad indicare che quando la carica energetica decresce la glicolisi è attivata e la gluconeogenesi è inibita Vi sono tuttavia altri meccanismi di controllo