glucosio piruvato Ac-CoA

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1 glucosio piruvato Ac-CoA Biochimica FA040 NADH CTF 2011

2 Gluconeogenesi e metabolismo del glicogeno fegato & muscolo GLICGEN TRIGLICERIDI Ac-Coa

3 Gluconeogenesi Via metabolica per la sintesi di glucosio partendo da precursori (metaboliti) semplici Logica metabolica : - richiesta diaria (uomo) 160 g glucosio (>50% per il metabolismo cerebrale) - siero e altri fluidi corporei 20 g glucosio - riserve (glicogeno) glucosio. glucosio per poco più di un giorno. In assenza di glucosio o altri carboidrati nella dieta, il corpo deve iniziare a sintetizzarlo da precursori non carboidrati. Substrati per la gluconeogenesi: SI - N - piruvato, lattato, alcuni AA (glucogenici), glicerolo piruvato acidi grassi, altri AA (chetogenici) Ac-CoA Localizzazione della gluconeogenesi ( mammiferi): SI nel fegato (90%) SI nel rene (10%). (tessuti che consumano molto glucosio) N nel cervello e nel muscolo NB: il glucosio prodotto dal fegato/rene sangue tessuti il piruvato ed il lattato prodotti dai tessuti sangue fegato/rene.

4 AT esochinasi AD Glucosio Glucosio-6- H 2 fosfoglucoisomerasi AT fosfofruttochinasi AD Gliceraldeide-3- Fruttosio-6- Frutosio-1,6-bis- difosfato aldolasi tfi i i glucosio-6- fosfatasi fruttosio-1,6- difosfatasi H 2 Diidrossiacetone- Gluconeogenesi vs Glicolisi GLICLISI NADH 1,6-Bisfosfoglicerato AT AT 3-Fosfoglicerato fosfoglicerato mutasi 2-Fosfoglicerato enolasi iruvato Lattato G3 deidrogenasi AD fosfoglicerato chinasi GD GT E ssalacetato piruvato carbossilasi CK Glicerolo GLUCNEGENESI

5 Gluconeogenesi vs Glicolisi La gluconeogenesi NN è la glicolisi invertita. 1) la sintesi di glucosio a partire dal piruvato non è energicamente favorevole ( G positivo). (Una fonte di energia è necessaria per renderla spontanea). 2) la sintesi e degradazione del glucosio sono reciprocamente regolate (le due vie generalmente non agiscono simultaneamente). Questo è reso possibile dall utilizzo di (alcune) reazioni completamente diverse. 3) le due vie condividono gli enzimi con reazioni ad equilibrio (con G 0 ), cioè 7 delle 10 reazioni nella glicolisi. er quanto riguarda le reazioni enzimatiche non condivise, sono: All inizio della gluconeogenesi : - piruvato ossalacetato fosfoenolpiruvato (E) Alla fine della glicolisi : - fosfoenolpiruvato piruvato Alla fine della gluconeogenesi : - fruttosio-1,6-fosfato frutosio-6-fosfato - glucosio-6-fosfato glucosio All inizio della glicolisi : - glucosio glucosio-6-fosfato - fruttosio-6-fosfato fruttosio-1,6-fosfato

6 Reazioni della gluconeogenesi - la piruvato carbossilasi reazione della matrice mitocondriale - la piruvato carbossilasi utilizza il coenzima biotina per aggiungere C 2 al piruvato - l enzima à attivato allostericamente da acil-coa (abbondanza di intemedi nel CK) E Lys NH C (CH 2 ) 4 S H N N H AT + HC C i + AD carbonilfosfato ossalacetato 3 E Lys NH C (CH 2 ) 4 S N N C - N-carbossibiotina 2 H :B E CH 2 C C piruvato -

7 Reazioni della gluconeogenesi - la E carbosschinasi - reazione principalmente del citosol (l ossalacetato esce dai mitocondri con una navetta) 1,3-BG GA GT GD + i + C 2 fosfoenolpiruvato - utilizza l energia di legame dell ossalacetato (decarbossilazione) e l idrolisi di GT per formare un enol fosfato ad alta energia (elevato potenziale di trasferimento fosfato). C C - H 2 C C - GT GD E carbossichinasi C C - C H 2 + C 2 - le seguenti 6 reazioni nella gluconeogenesi poi procedono spontaneamente ad equilibrio: E 2-fosfoglicerato 3-fosfoglicerato 1,3-bisfosfoglicerato gliceraldeide-3-5 (gliceraldiede-3- diidrossiacetone) fruttosio 1,6-bisfosfato 6

8 Reazioni della gluconeogenesi - la fruttosio 1,6 bisfosfatasi - enzima del citosol che catalizza una reazione energicamente favorevole ( G negativo). - altamente e reciprocamente regolato assieme alle altre tappe di comando della glicolisi e gluconeogenesi: Fruttosio-6- Fosfofruttochinasi 2 F-6- + Ser- rk cam dip. FK II Fruttosio-2,6- Fruttosio-2,6-bisfosfatasi Fosfofrutto Chinasi I (FK I) la fruttosio 1,6 bisfosfatasi Il F-2,6- è prodotto/rimosso da un enzima tandem bifunzionale, dove le attività di chinasi e fosfatasi sono reciprocamente regolate dalla fosforilazione di un singolo residuo Ser e dai livelli di F-6-. iruvato chinasi E carbossichinasi iruvato carbossilasi

9 L ultima reazione della gluconeogenesi - la glucosio-6-difosfatasi - enzima della membrana ER nel fegato e rene (assente nel muscolo e nel cervello). - la defosforilazione richiede la previa traslocazione nel ER - il prodotto (glucosio) è ri-trasportato nel citosol ed estromesso, oppure immagazzinato in vescicole dirette alla membrana citoplasmatica per esocitosi. G-6- T 1 G-6- S Ca ++ G-6- f asi Glucosio i T 2 T 3 Glucosio + i citosol lumen ER esocitosi Stechiometria e bilancio energetico 2 piruvato + 4AT + 2GT + 2NADH + 2H + + 6H 2 glucosio + 4AD + 2GD + 6 i + 2NAD + In totale, la gluconeogenesi utilizza 4AT + 2GT + 2NADH ( 5AT) 11 eq. AT

10 Catabolismo (degradazione) del glicogeno l'amido (nelle piante) e il glicogeno (negli animali) sono le forme di riserva cellulare di glucosio. sono importanti fonti di glucosio nella dieta (specialmente l amido) in mancanza di carboidrati dalla dieta, sono mobilitate le riserve di glicogeno del fegato. Glicogeno: polimero del glucosio con legami α(1 4) glicosidici, altamente ramificato mediante legami α (1 6) glicosidici (ca. ogni 10 residui). Amido: catene di amilosio [con catene puramente α (1 4) glicosidiche ] associato ad amilopectina (simile al glicogeno, con ramificazioni 1-6 ogni ca residui). H H H H H H H H H H H α(1 4) 1 1 α(1 6) α(1 4) 2 H 1

11 Glicogeno - utilizzo Glicogeno/amido esogeni inizialmente degradati dall α-amilasi (endoglicosidasi; idrolisi di legami glicosidici interni). α(1 6) Si producono maltosio, maltotriosio e destrine limite. α(1 4) α-amilasi pancreatica salivare maltosio maltotriosio α- glucosidasi (maltasi) glucosio glicogeno destrine limite α- destrinasi (isomaltasi) superficie delle cellule intestinali

12 degradazione del glicogeno endogeno La glicogeno fosforilasi degrada il glicogeno endogeno (tissutale, di riserva) - stacca residui dai terminali delle ramificazioni, inserendo un fosfato inorganico sul C1 er la reazione, il G > 0, ma [ i ] è così elevata nelle cellule che il G effettivo < 0. La formazione di G-1- avviene quindi senza idrolisi di AT) La Fosfoglucomutasi poi isomerizza G-1- a G-6- i fosforilasi Anche la fosforilasi agisce solo fino a 4 residui da una ramificazione, e poi subentra un enzima deramificante H H mutasi H 2-3 H G-6- G-1- + H H mutas enzima deramificante polimero lineare + glucosio (~10%) fosforilasi G-1- (~ 90%) NB Glicogeno G-1- G-6- glicolisi (nei tessuti); Glicogeno G-1- G-6- glucosio sangue (fegato)

13 enzima deramificante H H 1 attività glucotrasferasi H H 2-3 H H (molto) G-1- α(1 4) H H 2 attività α(1 6) glicosidasi H H H (poco) glucosio l enzima deramificante o deramificatore, possiede due attività catalitiche: - oligo(α1,4 α1,4) glucotrasferasi (sposta un frammento di 3 residui dalla ramificazione alla catena centrale) - α(1 6) glicosidasi (stacca il residuo legato alla posizione 6)

14 Meccanismo d azione della glicogeno fosforilasi - enzima dimerico che utilizza il piridossal fosfato, covalentemente legato ad una lisina del sito attivo, come coenzima. - L AT è un effettore allosterico disattivante, mente un residuo di serina per subunità serve come sito di regolazione mediante fosforilazione.

15 Sintesi del glicogeno La sintesi di glicogeno avviene solo quando il carico energetico è alto, e la [ i ] elevata impedisce che si inverta la reazione catalizzata dalla glicogeno fosforilasi. utilizza un altra fosforilasi, che attiva unità di zucchero per la polimerizzazione mediante formazione di UD-glucosio. La glicogeno sintasi poi catalizza la polimerizzazione ed un enzima ramificante catalizza il trasferimento 1,4 1-6 per introdurre i rami H H G-1- CH 2 H H H (enzima ramificante) - - C H2 H + C H 2 - H Glicogeno n UT R amilo-(1,4 1,6) transglicosilasi H N H H H NH H UD-glucosio fosforilasi C H2 H H C H 2 H H - UD-glucosio + i 2 i glicogeno sintasi H C H 2 H H - C H 2 H H UD N H C H H 2 H NH Tyr-glicogenina Tyr glicogenina

16 Sintesi del glicogeno - reazione globale e stechiometria La polimerizzazione del glicogeno, catalizzata dalla glicogeno sintasi, richiede una catena di almeno 4 residui di glucosio come innesco. Questi sono forniti dalla glicogenina, una proteina omodimerica in grado di autocatalizzare l aggiunta di 8 unità di glucosio ad un residuo Tyr presente in ciascuna subunità. Questa proteina funge quindi da nucleo sul quale avviene la polimerizzazione. G-6- G-1- + UT G-1- (mutasi, reaz. ad equilibrio) UD-glucosio + i i 2 I (fosfatasi inorganica, libera energia) UD-glucosio + H-Gluc-(-Cluc) n H-Gluc-(-Cluc) n+1 (glicogeno sintasi) UD + AT UT + AD (costo energetico) G-6- + AT + H-Gluc-(-Cluc) n + H 2 H-Gluc-(-Cluc) n+1 + AD + i

17 regolazione reciproca nel metabolismo del glicogeno AM + AT G-6- - R glicogeno fosforilasi meno attiva T T Forma b (TESA) ++ (Ca ) K cam dip fosforilasi chinasi R R (1) fosfoproteina fosfatasi 1 (insulina) più attiva - glucosio T caffeina Forma a (RILASSATA) più attiva glicogeno sintasi proteina chinasi (K) cam dipendente meno attiva G-6- + ormone recettore/proteina G adenilato ciclasi cam K cam dip fosfolipasi C inositolo trifisfato Ca ++ recettore tirosina chinasico ormone fosfoproteina fosfatasi 1 insulina (pancreas): attiva proteina fosfatasi 1 - stimola sintesi /inibisce degradazione glucagone (pancreas) : attiva la roteina Chinasi A cam dip. stimola degradazione/inibisce sintesi(fegato e tessuto adiposo) adrenalina (ghiandole adrenali/sist. nervoso): attiva la roteina Chinasi A cam dip. stimola degradazione/inibisce sintesi (fegato e muscolo)