Gluconeogenesi. Glicemia. Digiuno prolungato. prolungato,, la glicemia. digiuno, anche. scarse. subisce. Nel. sangue ed il cervello. Digiuno.

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1 Gluconeogenesi Glicemia [Glu] blood Insulina Fed Fast early Glucagone 1-2 hrs Digiuno late fast Glycogen Glicogeno esaurito gone 6-12 hrs Digiuno prolungato (giorni) Meal Un pasto Nel digiuno, anche prolungato,, la glicemia subisce scarse variazioni: : la gluconeogenesi epatica produce glucosio per il sangue ed il cervello

2 glucosio G G per le 10 reazioni della glicolisi (calcolati sulla base delle concentrazioni cellulari dei metaboliti) ATP A + B Enz. C + D Energia libera (G) glucosio-6-p fruttosio-6-p ATP G = G + RT ln ([C][D] / [A][B]) fruttosio-1,6- bisfosfato Gly-3-P 3 P-glicerato PEP DHAP 2-P-glicerato 1,3 bis-pglicerato NADH ATP ATP (?G 0 totale = - 20 kcal/mole) piruvato

3 Gluconeogenesi La Gluconeogenesi avviene principalmente nel fegato. La sintesi di glucosio da piruvato utilizza parecchi enzimi che partecipano anche alla glicolisi. 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.

4 LA GLUCONEOGENESI Una delle funzioni più importanti del fegato è la sua partecipazione al controllo della glicemia. Questo organo secerne glucosio nel sangue quando la glicemia è bassa (ipoglicemia), mentre assorbe glucosio dal sangue quando la glicemia è alta (iperglicemia). Il glucosio contenuto nel sangue è essenziale per fornire energia al sistema nervoso centrale. Infatti il cervello consuma la maggior parte del glucosio contenuto nel sangue e nel liquido interstiziale. In condizioni di normale alimentazione il cervello utilizza esclusivamente glucosio per produrre energia. Esso non può utilizzare gli acidi grassi, perché non passano attraverso alla barriera emato-encefalica encefalica.. Solo nel digiuno prolungato, il cervello si adatta alla utilizzazione dei corpi chetonici.

5 La gluconeogenesi è una via anabolica (quasi * ) esclusiva del fegato. Con questa via il fegato costruisce molecole di glucosio nuove, utilizzando per questa costruzione (sintesi) alcuni ammino acidi (detti glicogenici), acido lattico e glicerolo (cioè sostanze che non sono carboidrati). Per realizzare questa sintesi il fegato fornisce energia e sotto forma di ATP ed altre molecole energetiche (GTP, NADH). ( * Anche la corticale del rene, ma in misura minima, contribuisce alla biosintesi del glucosio mediante la gluconeogenesi).

6 La gluconeogenesi non è l inverso della glicolisi; tuttavia essa utilizza diversi enzimi della glicolisi (che in questa via catalizzano le reazioni inverse rispetto a quelle glicolitiche) ) ed alcuni enzimi caratteristici di questa via. Questi ultimi catalizzano reazioni che aggirano tappe irreversibili della glicolisi *. ( * sono termodinamicamente irreversibili le reazioni fortemente esoergoniche,, che hanno un G G negativo di valore elevato. E E bene ricordare che le reazioni esoergoniche sono spontanee, mentre quelle endoergoniche non sono spontanee). Infatti, la glicolisi comprende 3 reazioni irreversibili: quelle catalizzate dalla piruvato cinasi,, dalla fosfofrutto-cinasi e dalla esocinasi.

7 Nella via della gluconeogenesi,, la reazione glicolitica che trasforma fosfoenolpiruvato in piruvato viene aggirata: prima il piruvato viene trasformato in ossalacetato (reazione di carbossilazione che richiede ATP, CO 2 e biotina) e poi quest ultimo ultimo in fosfoenol-piruvato (con una reazione che consuma GTP). La reazione glicolitica catalizzata dalla fosfofruttocinasi viene aggirata utilizzando un enzima idrolitico: la fruttosio-1,6 1,6-bis-fosfatasi,, che catalizza una reazione spontanea (esoergonica( esoergonica). Anche la reazione catalizzata dalla esocinasi viene aggirata con una idrolasi: : la glucosio-6-fosfatasi (anche questa reazione è spontanea). Quest ultimo ultimo enzima è presente solo nel fegato ed è coinvolto sia nella glicogenolisi,, sia nella gluconeogenesi. Staccando il fosfato dal glucosio- 6-fosfato per idrolisi, libera glucosio che può diffondere dalle cellule c epatiche nel sangue trasformando lo stato di ipoglicemia in uno stato di glicemia normale.

8 La gluconeogenesi epatica è una via metabolica che viene attivata solo quando c èc uno stato di ipoglicemia Infatti è l ormone glucagone,, secreto solo in condizioni ipoglicemiche, che stimola reazioni chiave di questa via. Il significato della secrezione di glucagone è chiaro: c èc uno stato di carenza energetica nel sangue e pertanto il fegato deve produrre glucosio libero da secernere nel l 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 amente le nuove molecole di glucosio mediante la via della gluconeogenesi.

9 La gluconeogenesi è una via metabolica che avviene nel fegato come processo spontaneo Questo significa che il fegato possiede non solo gli enzimi necessari, ma anche le condizioni termodinamiche che permettono di realizzare questa biosintesi. Tali condizioni non sono presenti in altri organi o tessuti. Alcuni ammino acidi (di tipo glucogenetico) ) entrano nella gluconeogenesi perché vengono trasformati in piruvato con vie specifiche (esempio alanina, serina, cisteina, glicina). Molti altri amino acidi glucogenetici forniscono atomi di carbonio ed altri atomi a questa via metabolica mediante trasformazioni che producono metaboliti del ciclo di Krebs (alfa-chetoglutarato, fumarato, etc., vedi figura). Una volta entrati nel ciclo di Krebs,, questi composti possono essere trasformati in ossalacetato dagli enzimi del ciclo stesso. Se considerate che il ciclo gira in senso orario vi sarà ben chiaro come questo fenomeno avvenga. Così si accumulano nel mitocondrio numerose molecole di ossalacetato,, non necessarie per le funzioni cataboliche del ciclo stesso. Queste lasciano il ciclo (ed il mitocondrio) mediante la reazione che trasforma t l ossalacetato in fosfoenolpiruvato,, dando inizio ad una serie di reazioni inverse rispetto a quelle della glicolisi che, con l ausilio l delle idrolasi sopra citate (fruttosio 1,6-bis bis-fosfatasi e glucosio 6-fosfatasi), 6 portano alla formazione di glucosio nel citoplasma, e quindi alla sua secrezione nel sangue.

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11 Amino acidi glicogenici

12 GLICERALDEIDE 3-FOSFATO 1,3-bis-FOSFOGLICERATO 3-FOSFOGLICERATO 2-FOSFOGLICERATO FOSFOENOLPIRUVATO Piruvato cinasi Glicolisi GLUCOSOP 6-FOSFATO FRUTTOSIO 6-FOSFATO Fosfofruttocinasi FRUTTOSIO 1,6-bis-FOSFATO PIRUVATO Esocinasi GLUCOSIO ADP ATP ATP ADP ATP Di-IDROSSIACETONE-FOSFATO ADP ATP ADP Gluconeogenesi (? G 0 = - 20 kcal/mole) (? G 0 = - 9 kcal/mole) GLUCOSIO + H 2 O Glucosio-6-fosfatasi GLUCOSOP 6-FOSFATO FRUTTOSIO 6-FOSFATO + H 2 O FRUTTOSIO 1,6-bis-FOSFATO ADP ATP Fosfoenolpiruvato carbossi-cinasi OSSALACETATO Piruvato carbossilasi Fruttosio 1,6-bis-fosfatasi GLICERALDEIDE 3-FOSFATO 1,3-bis-FOSFOGLICERATO 3-FOSFOGLICERATO 2-FOSFOGLICERATO FOSFOENOLPIRUVATO + GTP ( - CO 2 ) + CO 2 + ATP PIRUVATO Le due vie metaboliche hanno molti enzimi in comune (quelli non indicati) che catalizzano reazioni termodinami- camente 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? G 0 fortemente negativo

13 Regolazione della gluconeogenesi Insulina Glucagone Acetil-CoA Fruttosio 2,6-bis bis-fosfato Segnali metabolici ad alta energia Segnali metabolici a bassa eneria inibisce attiva attiva inibisce attivano inibiscono (attivatore allosterico della piruvato carbossilasi) (inibitore allosterico della fruttosio bis-fosfatasi)

14 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,, derivato da alcuni ammino acidi, la cellula deve pagare un costo accessorio, in quanto le 2 molecole di NADH necessarie non potranno essere utilizzate dal processo di fosforilazione ossidativa (si ricordi che 2NADH = 5 ATP, prodotto con la fosforilazione ossidativa!).

15 G G per le 10 reazioni della gluconeogenesi (calcolati sulla base delle concentrazioni cellulari dei metaboliti) Energia libera (G)) glucosio-6-p frutosio-1,6- bisfosfato GAP 3 P-glicerato DHAP O O- C C O piruvato CH 3 ATP GTP PEP glucosio frutosio-6-p NADH ATP (?G 0 totale = - 9 kcal/mole)

16 Due reazioni della glicolisi sono aggirate per semplici reazioni di idrolisi: L esocinasi (Glicolisi) catalizzza: glucosio + ATP glucosio-6-fosfato + ADP La glucosio-6-fosfatasi (Gluconeogenesi) catalizza: glucosio-6-fosfato + H 2 O glucosio + P i

17 La fosfofruttocinasi (Glicolisi) catalizzza : fruttosio-6-p + ATP fruttosio-1,6-bisp + ADP La fruttosio-1,6-bisfosfatasi (Gluconeogenesi) catalizza : fruttosio-1,6-bisp + H 2 O fruttosio-6-p + P i

18 Agiramento della Piruvato cinasi (2 reazioni): Piruvato Carbossilasi (Gluconeogenesi) catalizza: piruvato + HCO 3- + ATP ossaloacetato + ADP + P i PEP Carbossicinasi (Gluconeogenesi) catalizza: ossaloacetato + GTP PEP + GDP + CO 2

19 Le 10 tappe della gluconeogenesi ❶ (2) piruvato + 2 ATP + 2 GTP + 2 HCO 3-? 2 PEP + 2 ADP + 2 GDP + 2 Pi + 2 CO 2 ❷ (2) fosfoenolpiruvato (PEP) + 2 H 2 O? (2) 2-fosfoglicerato ❸ (2) 2-fosfoglicerato? (2) 3-fosfogicerato ❹ ❺ ❻ (2) 3-fosfogicerato + 2 ATP? (2) 1,3-bisfosfoglicerato + 2 ADP (2) 1,3-bisfosfoglicerato + 2 NADH? (2) glic-3-p + 2 P i + 2 NAD + (2) glic-3-p? diidrossiacetone fosfato + DHAP ❼ DHAP + gliceraldeide-3-fosfato? fruttosio 1.6-bisfosfato ❽ fruttosio 1.6-bisfosfato + H 2 O? fruttosio-6-p + P i ❾ ❿ frutosio 6-fosfato? glucosio-6-p glucosio-6-p + H 2 O? glucosio + P i 2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP + 2 H 2 0? glucosio + 2 NAD ADP + 2 GDP + 6 P i

20 La Gluconeogenesi richiede più energia che l inverso della glicolisi. 12 gluconeogenesi 2 piruvato + 2 NADH + 4 ATP + 2 GTP + 2 H 2 0? glucosio + 2 NAD ADP + 2 GDP + 6 P i glicolisi (invertita) 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H 2 0? glucosio + 2 NAD ADP + 2 P i

21 Da quali metaboliti si forma glucosio con la gluconeogenesi epatica? Amino Acidi Piruvato Ossalacetato DHAP Glucosio Lattato Glicerolo

22 Degradazione Amino acidi 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. Gli a. acidi sono una importante sorgente di energia solo quando i carboidrati sono insufficienti. Il catabolismo dei 20 a. acidi converge su 7 differenti intermedi. Gli amino acidi si dividono in chetogenici e glucogenici

23 Ciclo di Cori sangue Fegato Glucosio Lattato Glicogeno Muscolo Glucosio Lattato Glicogeno sangue

24 Regolazione della gluconeogenesi Insulina Glucagone Acetil-CoA Fruttosio 2,6-bis bis-fosfato Segnali metabolici ad alta energia Segnali metabolici a bassa eneria inibisce attiva attiva (attivatore allosterico della piruvato carbossilasi) inibisce (inibitore allosterico della fruttosio bis-fosfatasi) attivano inibiscono

25 glicogeno Glicogeno sinthesi glicogenolisi Glucosio Glucosio 6-P Ribosio 5-P glicolisi gluconeogenesi Amino acidi Piruvato Acetil CoA lattato Metaboliti ciclo Krebs

26 Via del Pentoso Fosfato Glucosio + 2 NADP + + H 2 O Cellule che producono acidi grassi - Fegato, Adipocti- Ribosio-5-P + CO NADPH + H +

27 Quando?? alto [NADP + ] stimola Ciò avviene quando vengono sintetizzati acidi grassi e consumato NADPH. (Stato di alimenazione) alto [NADPH] inibisce

28 Via del Pentoso Fosfato (shunt) Funzioni Generare NADPH per le biosintesi Generare ribosio 5P: precursore dei nucleotidi Può generare anche altri metaboliti, che rientrano nella glicolisi La via Parte dal glucosio 6-P; genera 2 molecole di NADPH ed una di CO 2 Genera diversi carboidrati con 3-, 3, 4-, 4, 5-, 5, 6-, 6, and 7-7 atomi di carbonio Termina con la produzione di fruttosio 6P e gliceraldeide 3-P, che rientrano nella glicolisi

29 La via usa reazioni deidrogenasiche NADP- dipendenti 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)

30 VIA DEI PENTOSO-FOSFATI La via dei pentoso-fosfati fondamentali: (via dei pentosi) ) ha due funzioni produrre il coenzima NADPH (detto( potere riducente cellula); della produrre carboidrati con 5 atomi di carbonio (ed in particolare il ribosio-5-fosfato fosfato). In caso di particolari necessità cellulari, la via può essere utilizzata anche come una via di ossidazione del glucosio alternativa alla glicolisi.. Infatti, se la cellula ha necessità di NADPH, ma non di carboidrati con 5 atomi di carbonio (pentosi( pentosi), questa via metabolica può trasformare il glucosio in CO 2 producendo NADPH in modo diretto.

31 Si può schematicamente, ma anche funzionalmente, suddividere la via in due parti: la parte ossidativa che, partendo da glucosio 6-fosfato 6 (un esoso), produce direttamente NADPH, CO 2 e riboloso 5- fosfato (un pentoso); la parte non ossidativa,, che, mediante un interscambio degli atomi di carbonio dei pentosi,, determina la formazione di fruttosio 6-fosfato 6 (un esoso) e gliceraldeide 3-fosfato (un trioso), che sono anche metaboliti della glicolisi e della gluconeogenesi.

32 Produzione del potere 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 6-fosfogluconato 6 deidrogenasi: catalizza la decarbossilazione ossidativa del substrato in due tappe (nella prima si forma un intermedio instabile,, non riportato in figura).

33 Parte non ossidativa La Fosfopentoso isomerasi: 1 a tappa della parte non ossidativa della via. E E una tappa simile a quella che nella glicolisi che isomerizza G-6P e F-6P. F Il ribosio 5-P è il precursore di nucleotidi e cofattori (esempio:: NAD, FAD, AMP).

34 Parte non ossidativa La Fosfopentoso epimerasi trasforma il ribulosio 5-P P in Xilulosio 5-P

35 Parte non ossidativa La Transchetolasi: trasferisce una unità bicarboniosa da un chetoso donatore ad un aldoso accettore,, e partecipa sia alla 6 a tappa che alla 8 a tappa della via dei pentosi

36 Parte non ossidativa La Transaldolasi trasferisce un frammento a 3 atomi di carbonio da un chetoso donatore ad un aldoso accettore. Il donatore è il Sedoeptulosio 7-P mentre l accettore è la Gliceradeide 3-P.

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38 1 Scenario: La cellula ha bisogno di zuccheri con 5 atomi di carbonio, ma non di NADPH

39 2 Scenario: La cellula ha bisogno solo di NADPH, non di zuccheri con 5 atomi di carbonio Una delle sei molecole di glucosio-6p viene trasformata in CO 2 (bruciata)

40 3 Scenario: La cellula ha bisogno NADPH e di energia

41 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 +

42 Glutatione reduttasi GS-SG 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-SG] SG] = 500 / 1 Negli eritrociti il glutatione ridotto mantiene il ferro dell eme eme dell emoglobina emoglobina nello stato di ossidazione Fe 2+

43 Perossido Glutatione ossidato Glutatione ridotto Glutatione ridotto Proteina ossidata Glutatione ossidato Proteina ridotta Il GSH viene ossidato a GS-SG SG da perossidi. Il GSH cellulare mantiene allo stato ridotto i gruppi tiolici di proteine endocellulari.

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