Archivi tag: acido lattico

Gluconeogenesi

Gluconeogenesi: contenuti in breve

Che cos’è la gluconeogenesi?

La gluconeogenesi è la via metabolica che permette, anche agli organismi non fotosintetizzanti, di produrre glucosio a partire dal piruvato e da altri precursori non glucidici.
E’ presente in tutti gli animali, piante, funghi e microorganismi, con essenzialmente le stesse reazioni, che portano, da due molecole di piruvato, alla sintesi di una molecola di glucosio. Dunque è essenzialmente l’inverso della glicolisi, che invece procede dal glucosio fino al piruvato, e con essa condivide molti enzimi.

Gluconeogenesi
Fig. 1 – Gluconeogenesi e Glicolisi

La glicogenolisi è ben distinta dalla gluconeogenesi, non corrispondendo ad una sintesi de novo del monosaccaride, come si può facilmente evidenziare osservando la sua reazione complessiva:

Glicogeno o (glucosio)n → n molecole di glucosio

La discussione successiva verterà sulla gluconeogenesi che avviene negli animali superiori, ed in particolare nel fegato dei mammiferi.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Perché la gluconeogenesi è importante?

La gluconeogenesi è una via metabolica di grande importanza per almeno due motivi.

  • Assicura il mantenimento di una adeguata concentrazione ematica di glucosio quando le riserve epatiche di glicogeno sono prossime all’esaurimento e lo zucchero non viene assunto con l’alimentazione.
    Il mantenimento della glicemia entro il range di normalità, 3,3-5,5 mmol/L (60 e i 99 mg/dL), è essenziale in quanto molte cellule e tessuti dipendono largamente o totalmente dal glucosio per soddisfare le loro richieste di ATP; tra questi i globuli rossi, i neuroni, il muscolo scheletrico quando lavora in anaerobiosi, la midollare del rene, i testicoli, la lente e la cornea dell’occhio, ed i tessuti embrionali. Considerando ad esempio il cervello, il suo fabbisogno giornaliero di glucosio è di circa 120 g, una quantità pari a:

oltre il 50% delle riserve corporee totali del monosaccaride, circa 210 g, di cui 190 g immagazzinato come glicogeno muscolare ed epatico, e 20 g in forma libera nei fluidi corporei;
circa il 75% del fabbisogno giornaliero di glucosio dell’intero organismo, quindi sui 160 g.

Nel digiuno breve, come nell’intervallo tra i pasti o durante la notte, la glicemia è mantenuta entro il range di normalità grazie alla glicogenolisi epatica e al rilascio di acidi grassi dal tessuto adiposo e corpi chetonici dal fegato. Acidi grassi e corpi chetonici, utilizzati di preferenza dal muscolo scheletrico, consentono un risparmio di glucosio che sarà disponibile per le cellule ed i tessuti che da esso dipendono. Tuttavia, dopo circa 18 ore di digiuno, le riserve di glicogeno sono prossime all’esaurimento, riserve che possono divenire insufficienti anche durante l’attività fisica intensa e prolungata. Ed è a questo punto che, se non sono assunti carboidrati con l’alimentazione, la gluconeogenesi diviene essenziale.
E, a sottolineare ulteriormente l’importanza della sintesi de novo del glucosio il fatto che  se i valori della glicemia scendono al di sotto di 2 mmol/L si verifica la perdita di coscienza.

  • L’eventuale escrezione del piruvato comporterebbe la perdita della possibilità di produrre ATP attraverso la sua ossidazione aerobica, ossia più di 10 molecole di ATP per ogni piruvato ossidato.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Dove si verifica la gluconeogenesi?

Negli animali superiori la gluconeogenesi avviene nel fegato, nella corticale del rene e nelle cellule epiteliali dell’intestino tenue, gli enterociti.
Quantitativamente il fegato rappresenta la sede principale, producendo circa il 90% di tutto il glucosio sintetizzato, seguito dalla corticale del rene, con circa il 10%. La maggiore capacità di sintesi del fegato rispetto alla corticale del rene è dovuta solo alle sue maggiori dimensioni; se infatti si considera il rapporto peso/sintesi, la corticale del rene produce più glucosio del fegato.
A livello della corticale del rene, le cellule che portano a termine la gluconeogenesi sono quelle del tubulo prossimale, la porzione del nefrone successiva al glomerulo. Molto del glucosio prodotto nel rene viene utilizzato dalla midollare del rene stesso, mentre l’azione dell’organo sul mantenimento della omeostasi glicemica diviene più importante durante il digiuno prolungato e nell’insufficienza epatica. Va tuttavia sottolineato che il rene, essendo privo di depositi di glicogeno, può contribuire al mantenimento della glicemia solo attraverso la gluconeogenesi e non anche attraverso la glicogenolisi, come invece può fare il fegato.
Parte della via gluconeogenetica può verificarsi anche nel muscolo scheletrico e cardiaco e nel cervello, anche se a velocità estremamente ridotta. Nell’adulto il muscolo ha circa 18 volte la massa del fegato, per cui la sua sintesi di glucosio potrebbe avere una qualche importanza quantitativa. Tuttavia in questi tessuti la sintesi de novo del glucosio non porta alla sua liberazione in circolo, essendo assente la glucosio-6-fosfatasi (EC 3.1.3.9), l’enzima che catalizza l’ultima tappa della via (vedi sotto). Quindi, l’eventuale produzione di glucosio-6-fosfato, compreso quello derivante dalla glicogenolisi, non contribuirà al mantenimento della glicemia ma aiuterà solo a ripristinare le scorte del glicogeno, per la verità nel cervello piccole e limitate per lo più agli astrociti. L’unico contributo diretto al mantenimento della glicemia operato da questi tessuti, ed in particolare dal muscolo scheletrico, vista la sua grande massa, deriva dalla  piccola quota di glucosio rilasciata dall’enzima deramificante (EC 3.2.1.33) della glicogenolisi.
Per quello che riguarda la localizzazione cellulare, la maggior parte delle reazioni della gluconeogenesi avvengono nel citosol, alcune nel mitocondrio, e la tappa finale all’interno delle cisterne del reticolo endoplasmatico.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Tappe irreversibili della gluconeogenesi

Come detto, glicolisi e gluconeogenesi sono essenzialmente una l’inverso dell’altra. E, delle dieci reazioni che costituiscono la gluconeogenesi, ben 7 sono in comune con la glicolisi. Si tratta di reazioni caratterizzate da un ΔG prossimo allo zero, per cui facilmente reversibili. Ma nelle normali condizioni cellulari, il ΔG complessivo della glicolisi è pari a circa -63 kJ/mole (-15 kcal/mole) e quello della gluconeogenesi a circa -16 kJ/mole (-3,83 kcal/mole), ossia si tratta di processi irreversibili.
Nel caso della glicolisi l’irreversibilità è conseguenza di tre reazioni fortemente esoergoniche, che non potranno essere utilizzate nella gluconeogenesi, e di seguito elencate.

  • La fosforilazione del glucosio a glucosio-6 fosfato, catalizzata dalla esochinasi (EC 2.7.1.1) o dalla glucochinasi (EC 2.7.1.2).
    ΔG = -33,4 kJ/mole (-8 kcal/mole)
    ΔG’° = -16,7 kJ/mole (-4 kcal/mole)
  • La fosforilazione del fruttosio-6-fosfato a fruttosio-1,6-bisfosfato, catalizzata dalla fosfofruttochinasi-1 o PFK-1 (EC 2.7.1.11).
    ΔG = -22,2 kJ/mole (-5,3 kcal/mole)
    ΔG’° = -14,2 kJ/mole (-3,4 kcal/mole)
  • La conversione del fosfoenolpiruvato o PEP, acronimo dell’inglese phosphoenolpyruvate, in piruvato, catalizzata dalla piruvato chinasi (EC 2.7.1.40).
    ΔG = -16,7 kJ/mole (-4,0 kcal/mole)
    ΔG’° = -31,4 kJ/mole (-7,5 kcal/mole)

Nella gluconeogenesi queste tre tappe unidirezionali sono superate grazie ad enzimi specifici che catalizzano passaggi irreversibili nella direzione della sintesi del glucosio. In questo modo è assicurata l’irreversibilità dell’intera via metabolica.
Di seguito sono analizzate tali reazioni.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato

Il primo passaggio della gluconeogenesi che by-passa una tappa irreversibile della glicolisi, nello specifico quella catalizzata dalla piruvato chinasi, è la conversione del piruvato in fosfoenolpiruvato.
La sintesi del fosfoenolpiruvato è ottenuta attraverso una sequenza di due reazioni catalizzate nell’ordine dagli enzimi:

  • piruvato carbossilasi (EC 6.4.1.1);
  • fosfoenolpiruvato carbossichinasi o PEP carbossichinasi (EC 4.1.1.32).

Piruvato → Ossalacetato → Fosfoenolpiruvato

Gluconeogenesi
Fig. 2 – Fosfoenolpiruvato

La piruvato carbossilasi catalizza la carbossilazione del piruvato in ossalacetato, con consumo di una molecola di ATP. L’enzima richiede la presenza di ioni manganese o magnesio.

Piruvato + HCO3 + ATP → Ossalacetato + ADP + Pi

L’enzima, scoperto nel 1960 da Merton Utter, è una proteina mitocondriale formata da quattro subunità identiche, ognuna dotata di attività catalitica. Le subunità hanno come coenzima la biotina, legata attraverso legame ammidico al gruppo amminico ε di un residuo di lisina, e la cui funzione è quella di trasportatore di CO2 attivata nel corso della reazione enzimatica. In ogni subunità è presente anche un sito di legame per l’acetil-CoA.
Va notato che la reazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi, portando alla produzione di ossalacetato, fornisce intermedi anche al ciclo dell’acido citrico o di Krebs.
La fosfoenolpiruvato carbossichinasi è presente, all’incirca nelle stesse quantità, sia nel mitocondrio che nel citosol dell’epatocita. Le due forme isoenzimatiche sono codificate da distinti geni nucleari.
L’enzima catalizza la decarbossilazione e fosforilazione dell’ossalacetato a dare fosfoenolpiruvato, in una reazione in cui il GTP funge da donatore di un gruppo fosfato, e richiede la presenza sia di ioni manganese che magnesio. La reazione nelle normali condizioni cellulari è reversibile.

Ossalacetato + GTP ⇄ PEP + CO2 + GDP

Nella reazione la CO2 aggiunta nella tappa catalizzata dalla piruvato carbossilasi viene rimossa. Nella reazione la CO2 aggiunta nella tappa catalizzata dalla piruvato carbossilasi viene rimossa. La sequenza di carbossilazione e decarbossilazione è un modo per “attivare” il piruvato, poiché la decarbossilazione dell’ossalacetato facilita, rende termodinamicamente possibile la formazione del fosfoenolpiruvato.
Più in generale le sequenze carbossilazione-decarbossilazione sono utilizzate per favorire reazioni che altrimenti sarebbero fortemente endoergoniche, e sono utilizzate anche nel ciclo dell’acido citrico, nella via dei pentoso fosfati, detta via dell’esoso monofosfato, e nella sintesi degli acidi grassi.
Prima della nascita i livelli di PEP carbossichinasi sono molto bassi, mentre, poche ore dopo il parto la sua attività aumenta di diverse volte. Questo è il motivo per cui la gluconeogenesi è attiva solo dopo la nascita.

La somma delle reazioni catalizzate dalla piruvato carbossilasi e dalla fosfoenolpiruvato carbossichinasi è:

Piruvato + ATP + GTP + HCO3 → PEP + ADP + GDP + Pi + CO2

Il ΔG’° della reazione è pari a  0,9 kJ/mole (0,2 kcal/mole), mentre la variazione di energia libera standard associata alla formazione di piruvato dal fosfoenolpiruvato per semplice inversione della reazione catalizzata dalla piruvato chinasi è di + 31,4 kJ/mole (7,5 kcal/mole).
Sebbene il ΔG’° dei due passaggi che portano alla formazione di fosfoenolpiruvato dal piruvato sia leggermente positivo, il ΔG calcolato dalle concentrazioni intracellulari degli intermedi è molto negativo, -25 kJ/mole (-6 kcal/mole), grazie al rapido consumo del fosfoenolpiruvato in altre reazioni, il che mantiene la sua concentrazione molto bassa. Quindi, nelle condizioni esistenti nella cellula la suddetta sintesi del PEP dal piruvato è un processo irreversibile.
Particolarità della sintesi del fosfoenolpiruvato dal piruvato è che la via seguita dipende dal precursore prevalente: piruvato o alanina, oppure il lattato.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Substrato prevalente piruvato o alanina

Gluconeogenesi
Fig. 3 – Conversione del Piruvato in PEP

I passaggi di seguito descritti prevalgono quando i substrati gluconeogenetici prevalenti sono piruvato o alanina.
La piruvato carbossilasi è un enzima mitocondriale, per cui il piruvato dovrà essere trasportato dal citosol nell’organello. Ciò avviene grazie a due trasportatori presenti sulla membrana mitocondriale interna, indicati come MPC1 and MPC2, che, associandosi, formano un eteropolimero che facilita il passaggio della molecola.
Il piruvato può anche essere prodotto direttamente all’interno del mitocondrio dall’alanina per transaminazione, nella reazione catalizzata dalla alanina aminotransferasi (EC 2.6.1.2).
Poiché gli enzimi che intervengono nelle tappe successive della gluconeogenesi, fino alla formazione del glucosio-6-fosfato, sono citosolici, l’ossalacetato prodotto nei mitocondri dovrà essere trasportato nel citosol. La membrana mitocondriale interna è però priva di trasportatori per l’ossalacetato. Il suo passaggio nel citosol avviene a seguito della sua riduzione a malato, che al contrario può attraversare la membrana mitocondriale interna. La reazione è catalizzata dalla malato deidrogenasi mitocondriale (EC 1.1.1.37), un enzima che interviene anche nel ciclo dell’acido citrico dove però il flusso dei metaboliti procede in direzione opposta. Nella reazione il NADH viene ossidato a NAD+.

Ossalacetato + NADH + H+ ⇄ Malato + NAD+

Sebbene ΔG°’ della reazione sia piuttosto elevato, il ΔG calcolato sulla base della concentrazione intracellulare dell’ossalacetato, molto bassa, è prossimo allo zero per cui la reazione è facilmente reversibile.
Il malato prodotto attraversa la membrana mitocondriale interna grazie ad un componente dello shuttle del malato-aspartato, il trasportatore malato-α-chetoglutarato. Una volta nel citosol il malato è riossidato a ossalacetato nella reazione catalizzata dalla malato deidrogenasi citosolica, con produzione di NADH.

Malato + NAD+ → Ossalacetato + NADH + H+

Nota: lo shuttle del malato-aspartato è il più attivo nel trasporto degli equivalenti riducenti del NADH dal citosol all’interno del mitocondrio, ed è presente nei mitocondri del fegato, rene, e cuore.
Grazie a questa reazione equivalenti riducenti mitocondriali, in forma di NADH, sono trasferiti nel citosol. Tale trasferimento è necessario per il proseguimento della gluconeogenesi, in quanto nel citosol il NADH, utilizzato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, è presente in bassa concentrazione, con un rapporto [NADH]/[NAD+] pari a 8 x 10-4, circa 100000 volte più basso di quello osservato nei mitocondri.
Infine l’ossalacetato viene convertito in fosfoenolpiruvato nella reazione catalizzata dalla PEP carbossichinasi.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Substrato prevalente lattato

Il lattato è un importante precursore gluconeogenico. Esempi di cellule e tessuti che lo producono in grande quantità sono i globuli rossi, che, completamente dipendenti dalla glicolisi anaerobica, lo producono continuamente, ed il muscolo scheletrico in forte attività, quando la velocità della glicolisi supera la velocità del ciclo dell’acido citrico e della fosforilazione ossidativa.
Quando il lattato è il precursore gluconeogenico prevalente la sintesi del PEP segue una via differente rispetto a quanto visto in precedenza (vedi fig. 3).
Nel citosol dell’epatocita, dove come detto la concentrazione del NAD+ è elevata, il lattato viene ridotto a piruvato nella reazione catalizzata dall’isoenzima epatico della lattico deidrogenasi. Nella reazione il NAD+ viene ridotto a NADH.

Lattato + NAD+ → Piruvato + NADH + H+

La produzione citosolica di NADH rende non necessaria l’esportazione di equivalenti riducenti dal mitocondrio (vedi sopra).
Il piruvato passa nella matrice mitocondriale per essere convertito in ossalacetato nella reazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi. Nel mitocondrio l’ossalacetato è convertito in fosfoenolpiruvato nella reazione catalizzata dall’isoenzima mitocondriale della piruvato carbossilasi, che, a mezzo di un trasportatore anionico della membrana mitocondriale interna, esce dal mitocondrio per continuare nella via gluconeogenetica.

Nota: la sintesi del glucosio dal lattato può essere considerata anche come una parte del “ramo epatico” del ciclo di Cori.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Conversione del fruttosio-1,6-bisfosfato in fruttosio-6-fosfato

Il secondo passaggio della gluconeogenesi che supera una reazione irreversibile della via glicolitica, quella catalizzata dalla  PFK-1, è la defosforilazione del fruttosio-1,6-bisfosfato a fruttosio-6-fosfato.
La reazione, catalizzata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi o FBPasi-1 (EC 3.1.3.11), enzima citosolico e Mg2+ dipendente, comporta l’idrolisi del fosfato sul C-1, senza alcuna produzione di ATP.

Fruttosio-1,6-bisfosfato + H2O → Fruttosio-6-fosfato + Pi

Il ΔG°’ della reazione è pari a16,3 kJ/mol (-3,9 kcal/mol), dunque una reazione irreversibile.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Conversione del glucosio-6-fosfato a glucosio

Il terzo passaggio esclusivo della gluconeogenesi permette di superare la reazione della glicolisi catalizzata dalla esochinasi o dalla glucochinasi. Nello specifico si tratta della defosforilazione del glucosio-6-fosfato a glucosio catalizzata dall’unità catalitica della glucosio-6-fosfatasi, un complesso proteico presente nella membrana del reticolo endoplasmatico degli epatociti, enterociti e cellule del tubulo prossimale del rene. La glucosio-6-fosfatasi è composta da una subunità catalitica dotata di attività fosfatasica e un trasportatore bidirezionale specifico per il glucosio-6-fosfato detto glucosio-6-fosfato traslocasi o T1.
La subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi presenta il sito attivo rivolto verso la superficie luminale dell’organello: quindi l’enzima catalizza una idrolisi intraluminale del substrato. Il glucosio-6-fosfato, sia quello derivante dalla gluconeogenesi, rilasciato dalla reazione catalizzata dalla glucosio-6-fosfato isomerasi o fosfoglucosio isomerasi (EC 5.3.1.9), che dalla glicogenolisi, rilasciato dalla reazione catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2), è prodotto nel citosol, e dovrà entrare nel lume del reticolo endoplasmatico per essere defosforilato. Il suo passaggio è operato dalla glucosio-6-fosfato traslocasi.

La subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi, un enzima Mg2+-dipendente, catalizza la reazione corrisponde all’ultima tappa sia della gluconeogenesi che della glicogenolisi. E, al pari della reazione che porta alla sintesi del fruttosio-6-fosfato, anche questa è una semplice idrolisi di un estere fosforico.

Glucosio-6-fosfato + H2O → Glucosio + Pi

Va inoltre sottolineato che, grazie all’orientamento del sito attivo, la cellula separa questa reazione dal citosol, e dunque dalla glicolisi, che verrebbe bloccata dall’azione dell’enzima sul glucosio-6-fosfato.
Il ΔG°’ della reazione è pari a 13,8 kJ/mol (-3,3 kcal/mol), dunque una reazione irreversibile. Se invece la reazione fosse l’inverso di quella catalizzata dalla esochinasi/glucochinasi, comporterebbe il trasferimento di un gruppo fosforico all’ADP dal glucosio-6-fosfato, una reazione con ΔG pari a +33,4 kJ/mole (+8 kcal/mol), quindi fortemente endoergonica. Analoghe considerazioni possono essere estese alla reazione catalizzata dalla FBPasi-1.

Sembra che il glucosio ed il gruppo Pi prodotti siano trasportati nel citosol da due distinti trasportatori, indicati rispettivamente come T2 e T3, quest’ultimo un trasportatore anionico.
Infine, grazie al trasportatore di membrana GLUT2, il glucosio potrà lasciare l’epatocita ed entrare in circolo per essere trasportato ai tessuti che lo richiedano. Come accennato in precedenza invece, il glucosio prodotto nel rene, in condizioni di normale efficienza epatica, viene utilizzato per la maggior parte dalla midollare del rene stesso.

⇑ Torna all’inizio ⇑

La gluconeogenesi: energeticamente costosa

Al pari di quanto accade nella glicolisi, sono le tappe irreversibili della gluconeogenesi le responsabili del consumo della maggior parte dell’energia necessaria al processo.
Sono consumati sei legami fosforici ad alta energia, due forniti dal GTP e quattro dall’ATP, cui vanno aggiunte due molecole di NADH per la  riduzione di altrettante molecole di 1,3-bisfosfoglicerato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. Il consumo dei due NADH comporta la mancata produzione di 5 molecole di ATP che sarebbero potute essere sintetizzate nel caso in cui gli elettroni del coenzima ridotto fossero stati utilizzati per la sintesi di ATP nel mitocondrio attraverso la fosforilazione ossidativa.
Anche da queste considerazioni prettamente energetiche emerge che la gluconeogenesi non è semplicemente l’inverso della glicolisi, nel qual caso necessiterebbe del consumo di sole due molecole di ATP, come si evince dalla equazione glicolitica complessiva.

Glucosio + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Per la gluconeogenesi invece:

2 Piruvato + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 4 H2O → Glucosio + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+

Almeno nel fegato, l’ATP necessario a sostenere la gluconeogenesi deriva di solito dall’ossidazione degli acidi grassi, o dall’ossidazione degli scheletri carboniosi degli aminoacidi, a seconda del “carburante” disponibile.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi

Se la glicolisi e la gluconeogenesi procedessero simultaneamente ad alta velocità nella stessa cellula, ne risulterebbe solo il consumo di ATP e la produzione di calore, in particolare in corrispondenza delle tappe irreversibili dei due processi, e nulla di più.
Ad esempio, considerando PFK-1 e FBPasi-1:

ATP + Fruttosio-6-fosfato → ADP + Fruttosio-1,6-bisfosfato

Fruttosio 1,6-bisfosfato + H2O → Fruttosio 6-fosfato + Pi

E, dalla somma delle due reazioni:

ATP + H2O → ADP + Pi + Calore

Quando reazioni contrapposte di questo tipo procedono simultaneamente si parla di ciclo futile o ciclo del substrato. E’ una situazione che apparentemente sembra senza benefici, ma che in realtà permette il controllo della direzione netta del flusso metabolico. Infatti un ciclo del substrato coinvolge enzimi differenti, almeno due, la cui attività può essere regolata separatamente, cosa che non potrebbe accadere nel caso di un solo enzima che operasse in entrambe le direzioni.
La contemporanea attività ad alta velocità di enzimi che catalizzano reazioni contrapposte è evitata grazie alla controllo dell’attività degli enzimi stessi, che può avvenire mediante:

  • meccanismi allosterici;
  • modificazioni covalenti, in particolare fosforilazioni e defosforilazioni;
  • modificazioni nella concentrazione degli enzimi coinvolti, conseguenti a variazioni del rapporto tra la loro sintesi e degradazione.

I meccanismi allosterici sono molto rapidi e istantaneamente reversibili, avvenendo in un arco temporale di millisecondi. Gli altri, innescati da segnali che provengono dall’esterno della cellula e trasportati da ormoni quali insulina, glucagone, o adrenalina, richiedono tempi più lunghi, dai secondi ai minuti per le modificazioni covalenti, e fin’anche ad ore per le modificazioni della concentrazione degli enzimi.
Grazie a questi meccanismi regolatori è possibile ottenere una regolazione coordinata delle due vie, tale da assicurare che quando il flusso di piruvato procede attraverso la gluconeogenesi, il flusso del glucosio attraverso la glicolisi rallenta, e viceversa.

⇑ Torna all’inizio ⇑

La gluconeogenesi è regolata a livello di diversi passaggi

La regolazione della gluconeogenesi e della glicolisi avviene attraverso controlli esercitati sugli enzimi specifici delle singole vie, e non su quelli comuni.
Mentre i principali punti di regolazione della glicolisi sono le reazioni catalizzate dagli enzimi PFK-1 e piruvato chinasi, i principali punti di regolazione della via gluconeogenetica sono le reazioni catalizzate dagli enzimi fruttosio-1,6-bisfosfatasi e piruvato carbossilasi. Anche gli altri due enzimi esclusivi della via gluconeogenetica, glucosio-6-fosfatasi e PEP carbossichinasi, sono soggetti a regolazione ma solo a livello trascrizionale.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Piruvato carbossilasi

Gluconeogenesi
Fig. 4- Due Destini Alternativi del Piruvato

Nel mitocondrio il piruvato può essere convertito in:

    • acetil-CoA, nella reazione catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi, che lega la glicolisi al ciclo di Krebs;
    • ossalacetato, nella reazione catalizzata dalla privato carbossilasi, l’enzima che catalizza la prima tappa della gluconeogenesi.

Il destino metabolico del piruvato dipende dai livelli dell’acetil-CoA e dunque dalla disponibilità di acidi grassi nel mitocondrio.
Quando gli acidi grassi sono disponibili, la loro β-ossidazione porta alla liberazione di molecole di acetil-CoA, che entrano nel ciclo di Krebs per dar luogo alla formazione di GTP e NADH. Una volta che i fabbisogni energetici della cellula sono soddisfatti, la fosforilazione ossidativa rallenta, il rapporto NADH/NAD+ cresce, il NADH inibisce il ciclo dell’acido citrico e si verifica un accumulo di acetil-CoA nella matrice mitocondriale.
L’acetil-CoA è un effettore allosterico positivo della piruvato carbossilasi ed un effettore allosterico negativo della piruvato chinasi. Inoltre inibisce la piruvato deidrogenasi sia attraverso una inibizione da prodotto finale che mediante la sua fosforilazione, a seguito dell’attivazione di una specifica chinasi.
Dunque, quando la carica energetica della cellula è alta, quello che accade è che la formazione di acetil-CoA dal piruvato è rallentata, mentre viene stimolata la conversione del piruvato in glucosio. L’acetil-CoA è quindi un segnale metabolico che indica che un’ulteriore ossidazione del glucosio a scopo energetico non è necessaria e che i metaboliti carboniosi possono essere utilizzati per la sintesi ed il deposito di glucosio.
Viceversa, quando i livelli di acetil-CoA si riducono, l’attività della piruvato chinasi e piruvato deidrogenasi aumentano, e quindi anche il flusso di metaboliti attraverso il ciclo di Krebs, il tutto per rifornire di energia la cellula.
Si potrebbe riassumere dicendo che la piruvato carbossilasi è attiva quando la carica energetica della cellula è alta e che il primo punto di controllo della gluconeogenesi determina quello che sarà il destino del piruvato nel mitocondrio.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Fruttosio-1,6-bisfosfatasi

Il secondo punto principale di controllo della gluconeogenesi è rappresentato dalla reazione catalizzata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi. L’enzima è inibito allostericamente dall’AMP. Quindi quando la concentrazione dell’AMP è alta, e di conseguenza quella dell’ATP è bassa, la gluconeogenesi rallenta. Ossia, come visto in precedenza, l’enzima è attivo quando la carica energetica della cellula è adeguata a sostenere la sintesi de novo del glucosio.
Di contro la PFK-1, l’enzima glicolitico corrispondente, è stimolata allostericamente dall’AMP e dall’ADP ed inibita dall’ATP e dal citrato, quest’ultimo derivante dalla condensazione tra l’acetil-CoA e l’ossalacetato.

Gluconeogenesi
Fig. 5 – Regolazione della FBPasi-1 e della PFK-1

Quindi riassumendo:

  • quando la concentrazione dell’AMP è alta la gluconeogenesi rallenta, mentre la glicolisi accelera;
  • quando la concentrazione dell’ATP è elevata, e quindi è bassa quella di ADP e AMP, o quando l’acetil-CoA o il citrato sono presenti in concentrazioni adeguate, viene promossa la gluconeogenesi mentre rallenta la glicolisi.
    L’aumento della concentrazione del citrato segnala che l’attività del ciclo dell’acido citrico può rallentare; in questo modo il piruvato potrà essere utilizzato per la sintesi del glucosio.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Fruttosio-1,6-bisfosfatasi, PFK-1 e fruttosio-2,6-bisfosfato
Gluconeogenesi
Fig. 6 – Fruttosio-2,6-bisfosfato

Il fegato ha un ruolo centrale nel mantenimento della glicemia a valori costanti: questo richiede la presenza di meccanismi regolatori che coordinino il consumo e la produzione del glucosio. Due sono gli ormoni principalmente coinvolti: il glucagone e l’insulina.
Il glucagone, rilasciato in circolo quando la glicemia scende, segnala al fegato di ridurre il suo consumo di glucosio e di aumentarne la produzione de novo ed il rilascio dal glicogeno.
L’azione degli ormoni suddetti è mediata da un effettore allosterico della PFK-1 e della fruttosio-1,6-bisfosfatasi: il fruttosio-2,6-bisfosfato, una molecola strutturalmente correlata al fruttosio-1,6-bisfosfato ma che non è ne un intermedio della glicolisi nel della gluconeogenesi. La molecola fu scoperta nel 1980 da Emile Van Schaftingen and Henri-Gery Hers come un potente stimolatore della PFK-1; l’anno successive gli stessi ricercatori dimostrarono che è anche un potente inibitore dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi.
A seguito del legame allo specifico sito allosterico sulla PFK-1, il fruttosio-2,6-bisfosfato svolge un duplice effetto: riduce l’affinità della proteina per i suoi inibitori allosterici ATP e citrato e ne aumenta l’affinità per il fruttosio-6-fosfato, il suo substrato. La PFK-1, in assenza di fruttosio-2,6-bisfosfato, e in presenza di concentrazioni fisiologiche di ATP, fruttosio-6-fosfato, e dei suoi effettori allosterici AMP, ATP e citrato, è praticamente inattiva. La presenza di fruttosio-2,6-bisfosfato ha invece l’effetto di attivare l’enzima quindi stimolare la glicolisi nell’epatocita. Nel contempo la molecola rallenta la gluconeogenesi, inibendo la fruttosio-1,6-bisfosfatasi, anche in assenza di AMP. Tuttavia gli effetti di AMP e fruttosio-2,6-bisfosfato sull’inibizione di FBPasi-1 sono sinergici.

Gluconeogenesi
Fig. 7 – Ruolo del Fruttosio-2,6-bisfosfato nella Regolazione della Glicolisi e Gluconeogenesi

La concentrazione di fruttosio-2,6-bisfosfato è regolata dalle velocità relative della sua sintesi e degradazione. Viene sintetizzato a partire dal fruttosio-6-fosfato nella reazione catalizzata dalla fosfofruttochinasi 2 o PFK-2 (EC 2.7.1.105), ed idrolizzato a fruttosio-6-fosfato nella reazione catalizzata dalla fruttosio-2,6-bisfosfatasi o FBPasi-2 (EC 3.1.3.46). Le due attività enzimatiche sono presenti su una stessa proteina, che dunque è un enzima bifunzionale, anche detto enzima tandem, e nel fegato sono regolate dall’insulina e dal glucagone, nel modo di seguito descritto.

  • Il glucagone, a seguito del legame allo specifico recettore di membrana, stimola la adenilato ciclasi (EC 4.6.1.1) presente sulla membrana plasmatica a produrre 3’-5’ AMP ciclico o cAMP, che, a seguito del legame alla protein chinasi cAMP-dipendente o protein chinasi A o PKA (EC 2.7.11.11), la attiva. La chinasi attivata catalizza la fosforilazione, a spese di una molecola di ATP, di uno specifico residuo di serina  (Ser32) di PFK-2/FBPasi-2. La fosforilazione comporta un aumento dell’attività fosfatasica a spese di quella chinasica, che si riduce in conseguenza di un aumento della Km per il fruttosio-6-fosfato. Tutto ciò porta ad una riduzione dei livelli di fruttosio-2,6-bisfosfato, con conseguente stimolazione della gluconeogenesi ed inibizione della glicolisi. Quindi, in risposta al segnale trasportato dal glucagone, aumenta la produzione epatica di glucosio attraverso la gluconeogenesi, il che rende l’organo capace di contrastare la riduzione della glicemia segnalata dall’ormone.
    Nota: il glucagone, al pari dell’adrenalina, stimola la gluconeogenesi in parte anche aumentando la disponibilità di substrati quali il glicerolo e gli aminoacidi.
  • L’insulina, a seguito del legame agli specifici recettori di membrana dell’epatocita, va ad attivare una protein fosfatasi, la fosfoprotein fosfatasi 2A che catalizza la rimozione del gruppo fosforico dalla PFK-2/FBPasi-2, attivando così la PFK-2 e riducendo l’attività della FBPasi-2. (Nel contempo stimola anche una cAMP fosfodiesterasi che idrolizza il cAMP ad AMP). Il risultato è l’aumento dei livelli intracellulari di fruttosio-2,6-bisfosfato e la conseguente inibizione della gluconeogenesi ed attivazione della glicolisi.
    Inoltre il fruttosio-6-fosfato inibisce allostericamente la FBPasi-2 mentre attiva la PFK-2. Riguardo l’attività dell’enzima bifunzionale PFK-2/FBPasi-2 va sottolineato che entrambe le attività sono inibite dai rispettivi prodotti di reazione, e tuttavia i fattori predominanti sono la concentrazione del fruttosio-6-fosfato e lo stato di fosforilazione dell’enzima stesso.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Glucosio-6-fosfatasi

A differenza della piruvato carbossilasi e della fruttosio-1,6-bisfosfatasi , la subunità catalitica della glucosio-6-fosfatasi non è soggetta a regolazione allosterica o covalente, mentre viene regolata a livello trascrizionale. La bassa glicemia ed il glucagone, dunque fattori che determinano una maggiore produzione di glucosio, ed i glucocorticoidi ne stimolano la sintesi, che al contrario è inibita dall’insulina.
Inoltre la sua Km per il glucosio-6-fosfato è decisamente più alta rispetto al normale intervallo di concentrazione della molecola stessa. Ne risulta che l’attività dell’enzima mostra una dipendenza quasi lineare rispetto alla concentrazione del substrato. Per questo si dice che l’enzima è sotto controllo da parte della concentrazione del substrato.

⇑ Torna all’inizio ⇑

PEP carbossichinasi

La regolazione dell’enzima avviene principalmente a livello della sua sintesi e demolizione. Ad esempio elevati livelli di glucagone o il digiuno ne aumentano la produzione, a seguito della stabilizzazione del suo mRNA e dell’aumento della sua velocità di trascrizione. Glicemie elevate o l’insulina hanno effetto opposto.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Xilulosio-5-fosfato

Anche un altro meccanismo regolatorio scoperto di recente, attraverso l’azione dello xilulosio-5-fosfato, stimola la glicolisi ed inibisce la gluconeogenesi, intervenendo nel controllo della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato nell’epatocita.

Gluconeogenesi
Fig. 8 – Xilulosio-5-fosfato

Quando la concentrazione ematica del glucosio aumenta, come dopo un pasto ricco di carboidrati, nel fegato si verifica l’attivazione della glicolisi e della via dell’esoso monofosfato. In quest’ultima via metabolica viene prodotto anche xilulosio-5-fosfato che è in grado di attivare la protein fosfatasi 2A. Ciò porta alla defosforilazione della PFK-2/FBPasi-2, inibendo così la FBPasi-2 e stimolando la PFK-2. Ne risulta un aumento della concentrazione del fruttosio-2,6-bisfosfato, e quindi l’inibizione della gluconeogenesi e la stimolazione della glicolisi, con conseguente aumento della produzione di acetil-CoA, il principale substrato per la sintesi dei lipidi. Il concomitante aumento del flusso attraverso la via dell’esoso monofosfato produce NADPH, fonte di elettroni per la sintesi dei lipidi. Infine, la protein fosfatasi 2A defosforila anche ChREBP, acronimo dell’inglese carbohydrate-responsive element-binding protein, un fattore di trascrizione che attiva l’espressione dei geni epatici per la sintesi dei lipidi. Quindi, in risposta ad un aumento della glicemia, a livello epatico sarà stimolata la sintesi dei lipidi.
Risulta dunque evidente che lo xilulosio-5-fosfato è un regolatore chiave del metabolismo sia dei carboidrati che dei grassi.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Precursori della gluconeogenesi

Oltre al piruvato, i principali precursori gluconeogenici sono il lattato, di cui si è parlato in precedenza, il glicerolo, la maggior parte degli aminoacidi, e comunque qualunque composto che possa essere convertito in piruvato od ossalacetato.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Glicerolo

Il glicerolo deriva dall’idrolisi dei trigliceridi nel tessuto adiposo e dei glicerofosfolipidi. Con l’esclusione del propionil-Coa (vedi sotto), è l’unica parte delle molecole dei lipidi che negli animali possa essere utilizzata per la sintesi de novo del glucosio.
Il suo punto di ingresso nella gluconeogenesi, o nella glicolisi, a seconda delle condizioni energetiche in cui si trova la cellula, è rappresentato dal diidrossiacetone fosfato, la cui sintesi avviene in due passaggi.

Gluconeogenesi
Fig. 9 – Conversione del Glicerolo in Diidrossiacetone Fosfato

Nel primo il glicerolo è fosforilato a glicerolo-3-fosfato, nella reazione catalizzata dalla glicerolo chinasi (EC 2.7.1.30). La reazione consuma una molecola di ATP. L’enzima assente negli adipociti, ma presente nel fegato. Ciò significa che il glicerolo dovrà raggiungere il fegato prima di essere ulteriormente metabolizzato.
Il glicerolo-3-fosfato viene quindi ossidato a diidrossiacetone fosfato, nella reazione catalizzata dalla glicerolo-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.1.1.8). Nella reazione il NAD+ viene ridotto a NADH.
Durante il digiuno prolungato il glicerolo è il principale precursore gluconeogenetico, essendo responsabile  della produzione di circa il 20% del glucosio.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Aminoacidi glucogenici

Acido piruvico e ossalacetato rappresentano i punti di ingresso per gli aminoacidi glucogenici, ossia quelli il cui scheletro carbonioso o parte di esso può essere utilizzato per la sintesi de novo di glucosio.
Gli aminoacidi derivano dalla demolizione delle proteine, sia di origine alimentare che endogena, come quelle del muscolo scheletrico nel corso del digiuno o dell’attività fisica intensa e prolungata.
I processi catabolici a carico di ognuno dei venti aminoacidi che compongono le proteine convergono verso la sintesi di sette prodotti principali: acetil-CoA, acetoacetil-CoA, α-chetoglutarato, succinil-CoA, fumarato, ossalacetato e piruvato.
Con l’esclusione di acetil-CoA e acetoacetil-CoA, le altre cinque molecole possono essere utilizzate per la sintesi del glucosio; quindi gli aminoacidi glucogenici possono essere definiti anche come quelli il cui scheletro carbonioso, in parte o in toto, può essere convertito in una o più delle suddette molecole.
Di seguito sono elencati gli aminoacidi glucogenici con i rispettivi punti di ingresso.

  • Piruvato: alanina, cisteina, glicina, serina, treonina e triptofano.
  • Ossalacetato: aspartato e asparagina.
  • α-Chetoglutarato: glutammato, arginina, glutammina, istidina e prolina.
  • Succinil-CoA: isoleucina, metionina, treonina e valina.
  • Fumarato: fenilalanina e tirosina;
Gluconeogenesi
Fig. 10 – Aminoacidi Glucogenici e Chetogenici

α-Chetoglutarato, succinil-CoA e fumarato, tutti intermedi del ciclo dell’acido citrico, entrano nella via gluconeogenetica previa conversione in ossalacetato.
L’utilizzo degli scheletri carboniosi degli aminoacidi deve essere preceduto dalla rimozione del loro gruppo amminico. Alanina e glutammato, le principali molecole responsabili del trasporto dei gruppi amminici dai tessuti extraepatici al fegato, sono aminoacidi glucogenici particolarmente importanti nei mammiferi. L’alanina è il principale substrato gluconeogenetico per il fegato, e arriva all’organo dal muscolo e da altri tessuti periferici seguendo la via del ciclo glucosio-alanina.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Aminoacidi chetogenici

Acetil-CoA e acetoacetil-CoA non possono essere utilizzati per la gluconeogenesi, ma sono precursori per la sintesi di acidi grassi e corpi chetonici. L’analisi della stechiometria del ciclo dell’acido citrico chiarisce perché non possano essere utilizzati per la sintesi de novo del glucosio.
L’acetil-CoA condensando con l’ossalacetato, nella reazione catalizzata dalla citrato sintasi, porta alla formazione di citrato, composto a 6 atomi di carbonio anziché 4 come l’ossalacetato. Tuttavia, sebbene i due atomi di carbonio dell’acetato compaiano nell’ossalacetato, due atomi di carbonio sono perduti, in forma di CO2, nelle reazioni catalizzate dalla isocitrico deidrogenasi (EC 1.1.1.42) e dal complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi. Quindi l’acetil-CoA non comporta alcun guadagno netto di carbonio per il ciclo dell’acido citrico.
Inoltre la reazione che dal piruvato porta alla formazione di acetil-CoA, catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi, che rappresenta il ponte tra glicolisi e ciclo dell’acido citrico, è irreversibile, e non esiste altra via metabolica per convertire l’acetil-CoA in piruvato.

Piruvato + NAD+ + CoASH → Acetil-CoA + NADH + H+ + C02

Per questo, gli aminoacidi dal cui catabolismo derivano solamente acetil-CoA e/o acetoacetil-CoA sono definiti chetogenici.
Solamente due aminoacidi sono puramente chetogenici: leucina ed lisina.

Nota: piante, lieviti, e molti batteri possono utilizzare l’acetil-CoA per la sintesi de novo di glucosio grazie alla via metabolica chiamata ciclo del gliossilato. Tale ciclo ha alcune reazioni in comune con il ciclo dell’acido citrico, due esclusive, catalizzate dalla isocitrato liasi (EC 4.1.3.1) e malato sintasi (EC 2.3.3.9), ma non ha reazioni di decarbossilazione (vedi sopra). Quindi gli organismi che possiedono il ciclo del gliossilato sono in grado di utilizzare gli acidi grassi per la sintesi del glucosio.

Cinque aminoacidi, isoleucina, fenilalanina, tirosina, treonina e triptofano sono sia chetogenici che glucogenici, poiché una parte del loro scheletro carbonioso può essere utilizzata per la gluconeogenesi, mentre l’altra da origine a corpi chetonici.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Propionato

Il propionato, un acidi grasso a tre atomi di carbonio, in forma di propionil-CoA è un precursore gluconeogenetico in quanto può essere convertito in succinil-CoA.
Di seguito sono analizzate le diverse fonti di propionato.

  • Può derivare dalla β-ossidazione di acidi grassi a catena dispari, come ad esempio l’acido margarico, acido grasso saturo con 17 atomi di carbonio. Tali acidi grassi sono molto rari rispetto a quelli a catena pari, e presenti in quantità significative nei lipidi di alcuni organismi marini, delle piante, e nel grasso dei ruminanti. Nell’ultimo passaggio del loro ciclo di ossidazione, il substrato è non a 4 ma a 5 atomi di carbonio, per cui una volta ossidato e scisso in due frammenti, darà origine ad un acetil-CoA e un propionil-CoA.
  • Altra fonte è la ossidazione degli acidi grassi a catena ramificata, con ramificazioni costituite da gruppi alchilici con un numero dispari di atomi di carbonio. Un esempio è l’acido fitanico, prodotto nei ruminanti dall’ossidazione del fitolo, un derivato della degradazione della clorofilla.
  • Nei ruminanti, è prodotto anche a partire dal glucosio liberato dall’idrolisi della cellulosa ad opera di batteri presenti nel rumine, una delle quattro camere che compongono lo stomaco di questi animali. Sempre nel rumine, gli stessi batteri convertono, attraverso fermentazione, il glucosio in propionato, che potrà, una volta assorbito, essere utilizzato per la gluconeogenesi, essere ossidato per la produzione di energia, od essere utilizzato per la sintesi degli acidi grassi.
    Nei ruminanti, dove la gluconeogenesi tende ad essere un processo continuo, il propionato è il più importante precursore gluconeogenetico.
  • Il propionato può derivare anche catabolismo della valina, leucina ed isoleucina (vedi sopra).

L’ossidazione del propionil-CoA a succinil-CoA avviene attraverso tre reazioni che si verificano nel fegato ed in altri tessuti.

Gluconeogenesi
Fig. 11 – Conversione del Propionil-CoA in Succinil-CoA

Nella prima reazione il propionil-CoA è carbossilato a dare D-metilmalonil-CoA, nella reazione catalizzata dalla propionil-CoA carbossilasi (EC 6.4.1.3), enzima che ha come cofattore la biotina. La reazione consuma un ATP.
Nella reazione successiva il D-metilmalonil-CoA viene epimerizzato nello stereoisomero L. La reazione è catalizzata dalla metilmalonil-CoA epimerasi (EC 5.1.99.1).
Infine l’L-metilmalonil-CoA, nella reazione catalizzata dalla metilmalonil-CoA mutasi (EC 5.4.99.2), enzima che richiede come coenzima la 5-deossiadenosilcobalamina, un derivato della cobalamina o vitamina B12, subisce un riarrangiamento intramolecolare a dare succinil-CoA.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Bibliografia

Bender D.A. Introduction to nutrition and metabolism. 3rd Edition. Taylor & Francis, 2004

Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010

Kabashima T., Kawaguchi T., Wadzinski B.E., Uyeda K. Xylulose 5-phosphate mediates glucose-induced lipogenesis by xylulose 5-phosphate-activated protein phosphatase in rat liver. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:5107-12. doi:10.1073/pnas.0730817100

Kuriyama H. et all. Coordinated regulation of fat-specific and liver-specific glycerol channels, aquaporin adipose and aquaporin 9. Diabetes 2002;51(10):2915-21. doi:10.2337/diabetes.51.10.2915

McCommis K.S. and Finck B.N. Mitochondrial pyruvate transport: a historical perspective and future research directions. Biochem J 2015;466(3):443-54. doi:10.1042/BJ20141171

Nelson D.L., M. M. Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012

Rosenthal M.D., Glew R.H. Medical biochemistry – Human metabolism in health and disease. John Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2009

Soty M., Chilloux J., Delalande F., Zitoun C., Bertile F., Mithieux G., and Gautier-Stein A. Post-Translational regulation of the glucose-6-phosphatase complex by cyclic adenosine monophosphate is a crucial determinant of endogenous glucose production and is controlled by the glucose-6-phosphate transporter. J Proteome Res  2016;15(4):1342-49. doi:10.1021/acs.jproteome.6b00110

Stipanuk M.H., Caudill M.A. Biochemical, physiological, and molecular aspects of human nutrition. 3rd Edition. Elsevier health sciences, 2013 [Google eBooks]

Van Schaftingen, E., and Hers, H-G. Inhibition of fructose-1,6-bisphosphatase by fructose-2,6-bisphosphate. Proc Natl Acad Sci USA 1981;78(5):2861-63 [PDF]

Van Schaftingen E., Jett M-F., Hue L., and Hers, H-G. Control of liver 6-phosphofructokinase by fructose 2,6-bisphosphate and other effectors. Proc Natl Acad Sci USA 1981;78(6):3483-86 [PDF]

Ciclo di Cori: definizione, funzione, biochimica

Ciclo di Cori: contenuti in breve

Che cos’è il ciclo di Cori?

Il ciclo di Cori, anche detto ciclo dell’acido lattico, fu scoperto grazie agli studi condotti negli anni 30 e 40 del secolo scorso dai coniugi Carl e Gerty Cori, i quali scoprirono l’esistenza di una cooperazione metabolica, una suddivisione del lavoro, tra il muscolo scheletrico che lavora in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno ed il fegato.
Di seguito ne sono riassunte le tappe.

  • La conversione del glucosio ad acido lattico, attraverso la glicolisi anaerobica, in cellule muscolari scheletriche.
  • La diffusione dell’acido lattico dalla cellula muscolare scheletrica al circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il fegato, che è il suo principale utilizzatore.
  • La conversione dell’acido lattico a glucosio attraverso la gluconeogenesi.
  • La diffusione del glucosio dall’epatocita al circolo sanguigno, grazie al quale raggiunge il muscolo scheletrico chiudendo il ciclo.

In breve, parte dell’acido lattico prodotto nel muscolo scheletrico viene convertito in glucosio nel fegato, per tornare infine al muscolo chiudendo così il ciclo.

Glucosio → Acido lattico → Glucosio

L’importanza del ciclo di Cori è testimoniata dal fatto che può rappresentare circa il 40% del normale turn over del glucosio plasmatico.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Dove avviene il ciclo di Cori?

Questa cooperazione metabolica è stata dimostrata esistere anche tra il fegato e tessuti extraepatici diversi dal muscolo scheletrico. Si può infatti affermare che, come per il ciclo glucosio-alanina, al ciclo di Cori possono partecipare i tessuti che non ossidino completamente il glucosio a CO2 e H2O, nel qual caso verrebbe a mancare il piruvato da cui ottenere l’acido lattico o, per transaminazione l’alanina (vedi sotto).  Esempi di cellule che producono continuamente acido lattico, oltre alle cellule muscolari scheletriche, sono i globuli rossi, le cellule proliferanti del midollo osseo, le cellule immunitarie dei noduli linfatici e le cellule epiteliali nella pelle.
Da notare che il muscolo scheletrico produce acido lattico anche a riposo, sebbene a bassa velocità.

Ciclo di Cori
Fig. 1 – Ciclo di Cori

Dal punto di vista biochimico, il ciclo di Cori connette la glicolisi anaerobica con la gluconeogenesi, utilizzando tessuti differenti per compartimentalizzare processi opposti. In una stessa cellula infatti, a prescindere dal tipo, tali vie metaboliche non sono molto attive simultaneamente. Quando la cellula necessita di ATP, la glicolisi è più attiva; quando invece la richiesta di ATP è bassa, la gluconeogenesi, nelle cellule dove avviene, è più attiva.
Ed degno di nota anche il fatto che sebbene tradizionalmente le vie metaboliche, come la glicolisi, il ciclo dell’acido citrico, o la gluconeogenesi, siano considerate confinate all’interno delle singole cellule, il ciclo di Cori, come anche il ciclo glucosio-alanina, si “estende” attraverso tipi cellulari differenti.
Va infine sottolineato che il ciclo di Cori coinvolge anche la corteccia renale, in particolare i tubuli prossimali, essendo questi un altro sito dove avviene la gluconeogenesi.

⇑ Torna all’inizio ⇑

I passaggi del ciclo di Cori

L’analisi dei passaggi del ciclo di Cori verrà fatta considerando l’acido lattico prodotto nel globulo rosso e nel muscolo scheletrico.
Il globulo rosso è una cellula priva di mitocondri, nucleo e ribosomi, che ricava l’energia necessaria dalla sola glicolisi. La possibilità di procedere della glicolisi, come la sua velocità, dipendono anche dalla disponibilità di NAD+. Il coenzima nella sua forma ossidata è infatti necessario per l’ossidazione della gliceraldeide-3-fosfato a 1,3-bisfosfoglicerato nella reazione catalizzata dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12).

Gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ → 1,3-Bisfosfoglicerato + NADH + H+

L’accumulo di NADH è evitato dalla riduzione del piruvato ad acido lattico, nella reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi (EC 1.1.1.27) o LDH, acronimo dell’inglese lactate dehydrogenase, reazione nella quale il NADH funge da donatore di agenti riducenti, ossidandosi a NAD+.

Piruvato + NADH + H+ → Acido lattico + NAD+

Il muscolo scheletrico, e in particolare le fibre a contrazione rapida che posseggono un numero ridotto di mitocondri, in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno, come nel corso di un intenso lavoro, producono notevoli quantità di acido lattico. In queste condizioni infatti:

  • la velocità di produzione del piruvato attraverso la via glicolitica eccede la capacità del ciclo dell’acido citrico di ossidarlo, tanto che meno del 10% del piruvato prodotto entra nel ciclo stesso;
  • la velocità alla quale l’ossigeno è assunto dalle cellule non è sufficiente per assicurare l’ossidazione aerobica di tutto il NADH formato.

E come nel globulo rosso, la reazione catalizzata dalla lattico deidrogenasi, rigenerando NAD+, permette alla glicolisi di procedere.
L’acido lattico è però un prodotto finale del metabolismo, e per essere utilizzato dalla cellula deve essere convertito in piruvato.
La membrana plasmatica della maggior parte delle cellule è liberamente permeabile sia al piruvato che all’acido lattico, che possono quindi raggiungere il circolo ematico. E, considerando ad esempio il muscolo scheletrico, la quantità di acido lattico che lascia la cellula è maggiore rispetto a quella del piruvato grazie all’elevato rapporto NADH/NAD+ intracellulare e alle proprietà catalitiche dell’isoenzima muscolare della lattico deidrogenasi (vedi sotto).
Una volta in circolo l’acido lattico raggiunge il fegato, che è il suo principale utilizzatore, e nel citosol dell’epatocita viene ossidato a piruvato, nella reazione catalizzata dall’isoenzima epatico della lattico deidrogenasi (vedi sotto).

Acido lattico + NAD+ → Piruvato + NADH + H+

Nell’epatocita questa ossidazione è favorita dal basso rapporto NADH/NAD+ presente nel citosol.
Il piruvato è quindi disponibile per entrare nella gluconeogenesi.
Il glucosio prodotto lascia il fegato e, tramite il circolo ematico raggiunge il muscolo, il globulo rosso, i neuroni, e gli altri tessuti e cellule che lo richiedono, chiudendo così il ciclo.

⇑ Torna all’inizio ⇑

La lattico deidrogenasi

L’enzima è un tetramero composto da due differenti tipi di subunità, indicate come:

  • H, dall’inglese heart, o subunità B;
  • M, dall’inglese muscle, o subunità A.

La subunità H predomina nel cuore, mentre la M nel muscolo scheletrico e nel fegato. In genere i tessuti con un metabolismo prevalentemente o esclusivamente aerobico, come il cuore, sintetizzano in misura maggiore la subunità H, mentre nei tessuti dove anche il metabolismo anaerobico è importante, come il muscolo scheletrico, la subunità M è prodotta in misura prevalente.
Le due subunità si associano in 5 modi differenti a dare altrettanti isoenzimi, che possono essere omopolimeri, ossia macromolecole formate da subunità identiche ripetute, o eteropolimeri, macromolecole formate da subunità differenti variamente assortite. I differenti isoenzimi della LDH hanno differenti proprietà catalitiche, oltre che differente distribuzione nei vari tessuti, come indicato di seguito:

  • H4, anche detto tipo 1, LDH1, o A4, un omopolimero di subunità H, si ritrova nel muscolo cardiaco, rene e globuli rossi;
  • H3M1, anche detto tipo 2, LDH2, o A3B, ha una distribuzione simile ad LDH1;
  • H2M2, anche detto tipo 3, LDH3, o A2B2, si ritrova nella milza, cervello, globuli bianchi, rene e polmone;
  • H1M3, anche detto tipo 4, LDH4, o AB3, si ritrova nella milza, polmone, muscolo scheletrico, globuli rossi e rene;
  • M4, anche detto tipo 5, LDH5, o A4, un omopolimero di subunità M, si ritrova nel fegato, muscolo scheletrico e polmone.

L’isoenzima H4 ha un’affinità per il substrato maggiore rispetto all’isoenzima M4.
L’isoenzima H4 è inibito allostericamente da elevati livelli di piruvato (il suo prodotto), mentre l’isoenzima M4 non lo è.
Gli isoenzimi “intermedi” hanno proprietà intermedie, più o meno spostate verso un estremo o l’altro, a seconda del rapporto tra i due tipi di subunità.
Si ritiene che l’isoenzima H4 sia il più idoneo per catalizzare l’ossidazione dell’acido lattico a piruvato, che nel cuore, grazie al suo metabolismo completamente aerobico, viene poi ossidato a CO2 e H2O.
Nel muscolo scheletrico prevale invece l’isoenzima M4, più idoneo per catalizzare la riduzione del piruvato ad acido lattico, consentendo quindi alla glicolisi di procedere in condizioni anaerobiche.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Altri destini metabolici dell’acido lattico

Da quanto detto in precedenza è chiaro che l’acido lattico non rappresenta un  binario morto del metabolismo ne un prodotto di scarto del metabolismo del glucosio. E può avere anche un destino diverso da quello di entrare nel ciclo di Cori.
Ad esempio nel muscolo scheletrico in fase di recupero da un esercizio esaustivo, quando cioè l’ossigeno diviene nuovamente sufficiente, o quando l’esercizio è condotto a bassa intensità, l’acido lattico può essere ossidato a piruvato, grazie alla disponibilità di NAD+, e di seguito a CO2 e H20, con produzione di una notevole quantità di energia. In queste condizioni verrà recuperata anche l’energia immagazzinata nel NADH prodotto durante la sua conversione in piruvato, ottenendo 2,5 molecole di ATP per molecola di NADH.
L’acido lattico può anche essere assunto da tessuti esclusivamente aerobici, come il muscolo cardiaco, dove sarà ossidato a CO2 e H2O.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Costo energetico del ciclo di Cori

Il ciclo di Cori comporta un consumo netto di 4 molecole di ATP.
La parte del ciclo che comprende la gluconeogenesi consuma 6 equivalenti di ATP, nello specifico 4 ATP e 2 GTP, nelle reazioni catalizzate dagli enzimi:

  • piruvato carbossilasi (EC 6.4.1.1): un ATP;
  • fosfoenolpiruvato carbossichinasi (EC 4.1.1.32): un GTP;
  • gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (EC 1.2.1.12): un ATP.

Poiché sono utilizzate due molecole di acido lattico per la sintesi di ogni molecola di glucosio, il costo totale è di 2×3=6 legami ad alta energia per molecola di glucosio.
Di contro, la parte del ciclo che comprende la glicolisi anaerobica ne produce solo 2.
In definitiva, è richiesta più energia per produrre glucosio dall’acido lattico nel fegato rispetto a quella ottenuta dall’ossidazione anaerobica del glucosio nei tessuti extraepatici. Questo spiega perché il ciclo di Cori non può essere sostenuto indefinitamente.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Ma il ciclo di Cori è un ciclo futile?

La continua demolizione e risintesi del glucosio caratteristica del ciclo dell’acido lattico può sembrare un inutile spreco di energia. In realtà questo ciclo permette l’efficace funzionamento di numerose cellule extraepatiche a spese del fegato e in parte della corteccia renale. Di seguito alcuni esempi.

  • Globuli rossi
    Gli eritrociti, essendo privi di nucleo, ribosomi e mitocondri, sono più piccoli rispetto a molte altre cellule, e le ridotte dimensioni permettono loro il passaggio attraverso gli stretti capillari. Ma la mancanza dei mitocondri li rende completamente dipendenti dalla glicolisi anaerobica per la produzione di ATP. L’acido lattico inevitabilmente formato sarà poi smaltito in parte dal fegato e dal rene.
  • Muscolo scheletrico
    Queste cellule, ed in particolare quelle delle fibre a contrazione rapida, quando soggette ad un intenso lavoro in condizioni di limitata disponibilità di ossigeno producono molto acido lattico. In tali condizioni la glicolisi anaerobica porta alla produzione di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio, 3 se il glucosio proviene dal glicogeno muscolare, una quantità decisamente inferiore rispetto alle 29-30 molecole di ATP prodotte a seguito della completa ossidazione del glucosio ad H2O e CO2. Ma la velocità di produzione dell’ATP attraverso la glicolisi anaerobica è maggiore rispetto a quella ottenibile dalla completa ossidazione del glucosio. Dunque, per il muscolo che ha fame di ATP, la glicolisi anaerobica rappresenta una efficace sorgente del nucleotide trifosfato. Ma questo potrebbe portare ad un accumulo intracellulare di acido lattico, e ad una pericolosa diminuzione del pH intracellulare. Ovviamente tale accumulo non si verifica, anche grazie al ciclo di Cori, che scarica parte dell’acido lattico muscolare e del costo energetico per il suo smaltimento sul fegato, permettendo al muscolo di utilizzare l’ATP disponibile per sostenere la sua contrazione.
    E il debito di ossigeno, il “fiatone”, che sempre si presenta dopo un’attività fisica sostenuta, è in gran parte dovuto all’aumentata richiesta di ossigeno da parte degli epatociti per sostenere l’ossidazione degli acidi grassi, il loro principale carburante, che porterà alla produzione dell’ATP necessario per la gluconeogenesi.
  • Nel corso di traumi, sepsi, ustioni, o dopo grossi interventi chirurgici, si verifica un’intensa proliferazione cellulare nelle ferite, che sono tessuti ipossici, e nel midollo osseo. Questo a sua volta risulta in una maggiore produzione di acido lattico, un aumento del flusso attraverso il ciclo di Cori e quindi del consumo di ATP a livello epatico, che, come detto, è sostenuto da un incremento dell’ossidazione degli acidi grassi. Quindi l’alimentazione di questi pazienti deve tenere in conto questo aumento nei consumi.
  • Una situazione simile alla precedente sembra presentarsi anche in quei pazienti oncologici che vanno incontro ad una progressiva perdita di peso.
  • Il ciclo di Cori è fondamentale anche durante il digiuno.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Ciclo di Cori e ciclo glucosio-alanina

Questi due cicli sono vie metaboliche che contribuiscono ad assicurare un continuo rifornimento di glucosio a tessuti per i quali il monosaccaride è la fonte primaria di energia.
La principale differenza tra i due cicli consiste nell’intermedio a tre atomi di carbonio che viene riciclato: nel ciclo di Cori il carbonio torna al fegato in forma di piruvato, mentre nel ciclo glucosio-alanina in forma di alanina.
Per ulteriori informazioni si veda: ciclo glucosio-alanina.

⇑ Torna all’inizio ⇑

Bibliografia

Bender D.A. Introduction to nutrition and metabolism. 3rd Edition. Taylor & Francis, 2004

Berg J.M., Tymoczko J.L., and Stryer L. Biochemistry. 5th Edition. W. H. Freeman and Company, 2002

Iqbal S.A., Mido Y. Biochemistry. Discovery Publishing House, 2005 [Google eBook]

Nelson D.L., M. M. Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012

Newsholme E.A., Leech T.R. Functional biochemistry in health and disease. John Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2010 [Google eBook]

Rawn J.D. Biochimica. Mc Graw-Hill, Neil Patterson Publishers, 1990

Rosenthal M.D., Glew R.H. Medical biochemistry – Human metabolism in health and disease. John Wiley J. & Sons, Inc., Publication, 2009

Shils M.E., Olson J.A., Shike M., Ross A.C. Modern nutrition in health and disease. 9th Ed., by Lippincott, Williams & Wilkins, 1999

Stipanuk M.H., Caudill M.A. Biochemical, physiological, and molecular aspects of human nutrition. 3rd Edition. Elsevier health sciences, 2013 [Google eBooks]