Gluconeogenesi

La gluconeogenesi è un processo vitale: è la sintesi di glucosio in situazioni di ipoglicemia, serve quindi a rimediare a un abbassamento di glicemia quando è finito il glicogeno epatico.

Con la glicolisi si produce anche il 2,3-bisfosfoglicerato, il modulatore negativo dell’emoglobina facendole rilasciare maggiormente l’ossigeno. 1,3- bisfosfoglicerato è un intermedio che si forma da una mezza molecola di glucosio. Può accadere, soprattutto nel globulo rosso, che il 1,3- bisfosfoglicerato, con lo spostamento del fosfato 1 in posizione 2 ad opera di una mutasi, permette di ottenere così il 2,3- bisfosfoglicerato.
Quando, per esempio, un individuo scende dall’alta montagna e va in pianura, deve essere ripristinata la normale affinità dell’emoglobina per l’ossigeno abbassando la concentrazione di 2,3- bisfosfoglicerato, questo è ciò che fa la 2,3- bisfosfoglicerato fosfatasi, che libera un Pi e produce l’intermedio successivo all’1,3-bisfosfoglicerato della glicolisi, cioè il 3-fosfoglicerato.

Però effettuando questa deviazione si perde quello che era il vantaggio della glicolisi, ovvero il produrre 4 molecole di ATP rispetto alle sole 2 molecole consumate nella prima fase del processo.
Cioè la glicolisi è produttiva per quanto riguarda l’ATP perché produce 2 molecole di ATP nella tappa che porta da 1,3- bisfosfoglicerato, che è una molecola ad alta energia, attraverso l’idrolisi del fosfato 1, alla produzione di 3-fosfoglicerato, a partire da una molecola di glucosio. Da una molecola di glucosio si formano 2 molecole di 1,3- bisfosfoglicerato, quindi sono prodotte 2 molecole di ATP quando si va dall’1,3- bisfosfoglicerato al 3-fosfoglicerato, con la deviazione che dall’1,3-bisfosfoglicerato porta al 2,3- bisfosfoglicerato si perdono queste 2 molecole di ATP.

Quindi la spesa per la produzione del 2,3-bisfosfoglicerato consiste nella perdita delle 2 molecole di ATP, che si formano invece quando la glicolisi si svolge come dovrebbe, senza deviazioni. Nel globulo rosso circa il 15% del glucosio è utilizzato per fare il 2,3-bisfosfoglicerato.

 

Nel fegato c’è una modulazione covalente della piruvato cinasi, l’ultimo enzima della glicolisi: l’enzima esiste nella forma fosforilata o defosforilata e si attiva quando il rapporto insulina/glucagone è alto, cioè quando è presente insulina. Il regno dell’insulina è lo stato di defosforilazione, l’intervento del glucagone invece porta alla fosforilazione di tipo cAMP (AMP ciclico) dipendente, perché ci sono anche altri meccanismi di fosforilazione, quello cAMP dipendente è il più noto, il più comune e che è stato scoperto prima. Il cAMP è un AMP con un monofosfato dove il fosfato fa da ponte con due legami esterei tra il C3’ e il C5’ del ribosio. Il senso di questa regolazione, cioè inibizione della fosforilazione da parte dell’insulina, ha effetto attivatorio sulla glicolisi.

Perché un ormone anabolizzante attiva un processo che è tipicamente catabolico? La glicolisi è catabolica fino ad un certo punto e non lo è nel fegato, dove non serve a produrre ATP visto che ha altre forme rifornimento energetico, come il carburante di tipo lipidico. La glicolisi nel fegato smaltisce l’eccesso di glucosio, trasformando il carburante glucidico in carburante lipidico, in acidi grassi e poi triacilgliceroli. L’effetto dell’insulina defosforila la piruvatocinasi, che quando è fosforilata è inattiva, attivandola. Naturalmente l’insulina è quella che attiva questa proteina fosfatasi che con l’H20 taglia il fosfato legato con un legame estereo all’enzima piruvatocinasi.

La glicolisi nel fegato non può essere modulata esclusivamente dai modulatori allosterici proprio per il ruolo che ha il fegato nelle variazioni della disponibilità di glucosio quindi nelle variazioni della glicemia che si hanno durante la vita normale, il fegato ha infatti un ruolo importante perché è responsabile della omeostasi del glucosio ematico. Abbiamo detto che quando si abbassa la glicemia nel digiuno viene rilasciato un ormone, il glucagone, che attiva la via di trasduzione dell’AMPc. Quindi il fegato risponde a questo abbassamento della glicemia mobilizzando il glicogeno e rilasciando glucosio per tamponare l’abbassamento della glicemia, l’insulina è invece responsabile della collocazione del glucosio che introduciamo in eccesso e come avviene questa collocazione del glucosio introdotto in eccesso? Cioè come fa il fegato ad affrontare l’iperglicemia? Lo fa in risposta all’altro ormone che è l’insulina, cioè il glucagone potremmo definirlo l’ormone del digiuno, mentre l’insulina è l’ormone della “buona alimentazione” o comunque iperglicemia, in questa ultima condizione la via che viene attivata e che percorre il glucosio in eccesso è quella della glicolisi naturalmente dopo che si è formata la forma metabolicamente attiva del glucosio cioè il glucosio-6-fosfato ad opera della glucocinasi epatica.

Nel fegato la glicolisi non è importante per il glucosio che forma il piruvato che andrà a formare AcetiCoA ma questo vedremo andrà a funzionare da precursore della sintesi degli acidi grassi, cosa vuol dire? Che nel fegato la glicolisi deve funzionare anche quando sono alti i segnali di alto carico energetico.
La glicolisi abbiamo detto funziona nel fegato, non nel muscolo certamente, come via per la collocazione appunto di questo eccesso di carburante glucidico, vedremo tutte le tappe di questo processo, sono in larga misura tappe note, vie che vengono prese per una finalità diversa da quella tradizionale per esempio appunto la glicemia assume il valore di indirizzare il carburante glucidico verso la sua trasformazione in carburante lipidico.

 

Questo è il meccanismo della regolazione covalente della glicolisi epatica, questo succede nel fegato come d’altra parte succede nel fegato anche quel meccanismo di regolazione che prevede il trasporto della glucocinasi dentro e fuori dal nucleo, vi ricordate quando il livello di glucosio in circolo è alto la glucocinasi viene tirata fuori dal nucleo staccata dalla proteina regolatrice e può svolgere il suo ruolo di fosforilare il glucosio per formare il glucosio-6-fosfato e poi il contrario quando la situazione si inverte, ad opera del fruttosio-6-fosfato.

Cominciamo dalla formazione del glucosio-6-fosfato, in particolare qui si fa riferimento alla caratteristica di tappa irreversibile della glicolisi: la prima tappa della glicolisi è irreversibile infatti è anche una tappa di regolazione. Attenzione lo avevamo già detto che irreversibile non vuol dire che non si possa in parte riformare uno dei reagenti: la tappa della glicolisi, in discesa quindi, consiste nella reazione tra ATP e glucosio neutro per dare ADP + glucosio-6-fosfato.
Nelle condizioni cellulari non si può ritornare da ADP + glucosio-6-fosfato a glucosio + ATP, questa reazione è irreversibile però nessuno si scandalizza se la natura ha inventato un enzima che mi può fare andare da glucosio-6-fosfato a glucosio neutro + fosfato, è un’altra reazione che non è proibita ma è catalizzata da una fosfatasi cioè un enzima che idrolizza il fosfato in posizione 6 quindi libera ortofosfato e produce glucosio neutro.
Voi capite che questa appena enunciata non è altro che l’ultima tappa della gluconeogenesi, che è un processo vitale (nel senso che se non funziona tutta la costruzione dell’organismo umano va a pallino) che deve portare a glucosio neutro e non a glucosio-6-fosfato perché quest’ultimo non esce dalla cellula che lo produce e quindi bisogna formare glucosio neutro e quindi ci vuole l’enzima che stacca il fosfato dal glucosio-6-fosfato e quindi lo rende disponibile, se è più concentrato nell’epatocita che all’esterno, per uscire e andare in circolo a compensare l’ipoglicemia. Quindi c’è questa possibilità di avere di nuovo la molecola che ci interessa, cioè il glucosio, dopo una tappa irreversibile.

Qui abbiamo formazione del glucosio-6-fosfato, la fosfoglucoisomerasi forma il fruttosio-6-fosfato e poi abbiamo la famosa tappa di regolazione della glicolisi, quella più importante, quella cioè soggetta a regolazione allosterica, quella inibita dall’alto carico energetico, come abbiamo già visto, ecco sarà proprio questa ad essere soggetta a questo meccanismo di regolazione covalente per fare il quale è stato inventato dall’evoluzione questo processo.
Partiamo dal fruttosio-2,6-bisfosfato. Agli inizi degli anni ’80 si è cercato a lungo un modulatore della glicolisi che sottraesse la regolazione della glicolisi alla inibizione da alto carico energetico perché si sapeva già che la glicolisi epatica deve funzionare, per il ruolo che svolge nel fegato, nonostante la inibizione della glicolisi da alta concentrazione di ATP per esempio o da citrato, quindi ci doveva essere qualcosa che facesse andare lo stesso la glicolisi e la facesse procedere attivamente nonostante questi inibitori, inibitori che funzionano negli altri tessuti ma non nel fegato, oppure soltanto un po’ nel fegato (attenzione perché i processi tutto o nulla sono pressoché inesistenti nella materia vivente, c’è sempre una modulazione dove tutti i processi devono andare in una direzione fino ad un certo punto e poi tornare indietro, naturalmente a questo fa eccezione la irreversibilità di certi processi, irreversibilità nelle condizioni cellulari, perchè dentro a una provetta si possono spesso fare andare indietro anche le reazioni irreversibili).
Questo modulatore non si trovava poiché è una molecola molto instabile ci si è riusciti appunto nei primi anni 80. Chi lo sintetizza questo fruttosio-2,6-bisfosfato?
Esiste un enzima particolare che chiamiamo PFK2 (fosfofruttocinasi-2) o fruttosio-2,6-bisfosfatasi perché è un enzima bifunzionale, ha due attività, una cinasica ed una fosfatasica, è esso stesso un fosfoenzima cioè può esistere in forma fosforilata e defosforilata. Nello stato defosforilato è attiva la attività cinasica. È un enzima che catalizza una reazione simile a quella catalizzata dalla PFK1 della via glicolitica ma produce fruttosio-2,6-bisfosfato. Naturalmente è una cinasi e quindi fosforila, come la PFK1, il substrato fruttosio-6-fosfato e quindi ha bisogno di ATP e libera ADP fosforilando il fruttosio-6-fosfato in posizione 2. Il fruttosio-2,6-bisfosfato che aumenta nel fegato per attivazione della PFK2 si rivela essere il più importante modulatore allosterico della PFK1 cioè la PFK1 è modulata nel fegato soprattutto dalla azione del fruttosio-2,6-bisfosfato.
Allora il significato della produzione di questo fruttosio-2,6-bisfosfato è quello di attivare la PFK1 e quindi spingere e accelerare il processo glicolitico. L’insulina sapete favorisce l’attività dell’enzima che demolisce l’AMPc e quindi si oppone ai processi di fosforilazione attivati dalla cinasi A che sono AMPc dipendenti.

Una delle attività molteplici svolte dall’insulina che ci riguarda direttamente è proprio questa inibizione della fosforilazione AMPc dipendente, abbattendo l’AMPc e facendo idrolizzare il legame ciclico. L’insulina intende accelerare la glicolisi anche se come abbiamo già ricordato è un ormone anabolizzante cioè che in genere favorisce la sintesi la costruzione di biomolecole, in questo caso favorisce la demolizione che si risolverà in un aumento del processo biosintetico degli acidi grassi e dei triacilgliceroli, stiamo parlando della via metabolica che porta alla trasformazione del carburante glucidico perché in effetti questo tipo di carburante non è conveniente da accumularsi in quantità importanti perché il glicogeno è pesante perché si porta dietro molte molecole di acqua con tutti quegli OH, tutti quei gruppi polari che possiede quindi non ci scandalizza che l’insulina favorisca il processo glicolitico, naturalmente in situazioni di iperglicemia, situazioni in cui c’è da sistemare il glucosio.
L’insulina agisce defosforilando la PFK2?
Certamente, favorendo i processi che portano alla defosforilazione, uno ve l’ho detto è abbassare i livelli di AMPc in condizioni di iperglicemia, la PFK2 è defosforilata quindi attivata.

Una cosa da ricordare è anche che c’è una competizione tra PFK2 e PFK1: entrambe corrono per lo stesso substrato, il fruttosio-6-fosfato: la PFK1 glicolitica porta alla formazione del fruttosio-1,6-bisfosfato, intermedio della glicolisi ed è in competizione con l’attività cinasica della PFK2 per la formazione del fruttosio-2,6-bisfosfato che poi andrà a stimolare la PFK1 e sarà il vero stimolatore del PFK1, enzima regolatore della glicolisi.
Una cosa molto importante è che il fruttosio-2,6-bisfosfato non ha solo questo effetto, quindi se aumenta l’accelerazione della glicolisi, ha anche la funzione di inibire la fruttosio-1,6-bisfosfatasi, un’altra fosfatasi che consente di ottenere fruttosio-6-fosfato a partire da fruttosio-1,6-bisfosfato e questo lo posso ottenere con una fosfatasi, la fruttosio-1,6-bisfosfatasi che scinde il legame estereo in posizione 1 e produce fruttosio-6-fosfato.
Naturalmente la attività fosfatasica di questo enzima si inserisce nel processo della gluconeogenesi!

Sottolineiamo ancora una volta che la gluconeogenesi percorre a ritroso le tappe della glicolisi, quelle reversibili, invece le 3 tappe irreversibili vengono aggirate e qui avete 2 esempi delle 3 tappe irreversibili: la glucocinasi viene aggirata dalla glucosio-6-fosfatasi e la PFK1 che catalizza la tappa più importante della glicolisi può venir aggirata dalla fruttosio-1,6-bisfosfatasi quando ci sono le condizioni e gli ormoni che sostengono la gluconeogenesi, mentre la terza tappa irreversibile che studieremo è quella catalizzata dalla piruvatocinasi che da fosfoenolpiruvato + ADP produce piruvato + ATP.
Quindi il fruttosio-2,6-bisfosfato è l’attivatore più importante della PFK1 epatica ma è anche inibitore della fruttosio-1,6-bisfosfatasi e svolge così il ruolo di dare una direzione al metabolismo glucidico perché se questo modulatore, il fruttosio-2,6-bisfosfato, è presente in alta concentrazione favorisce la glicolisi e quindi la sistemazione del glucosio e la sua trasformazione in carburante lipidico, se invece è a basso livello viene favorita la gluconeogenesi.
In pratica i 2 processi di glicolisi e gluconeogenesi avvengono sempre contemporaneamente a velocità diverse, anche nella glicolisi più sfrenata c’è sempre un po’ di attività gluconeogenetica, questo per darvi idea della logica seguita dal metabolismo del nostro organismo.
Quando si attiva la fruttosio-2,6-bisfosfatasi? Essa provoca la scissione del fosfato in posizione due con idrolisi quindi con una molecola di acqua e il fruttosio-2,6-bisfosfato ridiventa fruttosio-6-fosfato che può essere tra l’altro aumentato in concentrazione anche da questa altra attività fosfatasica, cioè quella della fruttosio-1,6-bisfosfatasi che è poi quell’enzima che aggira la tappa catalizzata dalla PFK1. Per quanto riguarda l’effetto sulla fruttosio-1,6-bisfosfatasi, l’enzima che consente di aggirare la PFK1, evidentemente quando si abbassano i livelli di fruttosio-2,6-bisfosfato non c’è più quell’effetto di inibizione su questa fosfatasi, questo succede perché è aumentato il glucagone che ha fosforilato l’enzima bifunzionale il quale nello stato fosforilato è più attivo nella sua attività fosfatasica e quindi la gluconeogenesi può procedere.
Esiste una particolare eccezione in un cardiomiocita con la sua membrana plasmatica nella quale ci sono molti recettori, in particolare i recettori β degli ormoni adrenergici rispondono a quel tipo di stimolo aumentando il battito e la forza di contrazione, ma, al contrario di quello che succede nel fegato, nel cuore la PFK2 quando è fosforilata invece che meno attiva come abbiamo visto per quella epatica diventa più attiva e utilizza ATP per formare fruttosio-2,6-bisfosfato che va a stimolare la PFK1, l’enzima della glicolisi. Questo succede perché l’isoenzima della PFK2 epatica risponde in quel modo lì alla fosforilazione operata dalla proteina cinasi A, invece nel fegato la fosforilazione della PFK2 portava alla attivazione della fosfatasi.

D’altra parte è logico perché l’effetto della stimolazione adrenergica è quello che abbiamo detto prima cioè di aumentare la forza di contrazione del cuore e di aumentare la frequenza cardiaca per far fronte a situazioni di emergenza, l’adrenalina, le catecolamine, sono tipicamente gli ormoni del “fly or fight” cioè scappa o combatti! Le catecolamine sono gli ormoni dell’emergenza quindi il meccanismo di risposta alle catecolamine non può essere che fornire più carburante più prontamente utilizzabile a disposizione del cardiomiocita, per una energica risposta allo stimolo ormonale, e questo appunto si è ottenuto col differenziare le 2 cinasi: quella cardiaca e quella epatica.

Vorrei ora brevemente parlare di una fonte importante di carburante glucidico, di glucosio, cioè il glicogeno, come viene sintetizzato e come viene mobilizzato?
Sono eventi vitali anche questi perché si associano poi alla possibilità di compensare variazioni glicemiche. L’enzima che mobilizza il glicogeno è la glicogeno fosforilasi e si chiama fosforilasi perché come le idrolisi idrolizzano legami covalenti usando acqua, la fosforilasi usa il fosfato inorganico per scindere i legami 1,4α-glicosidici che tengono unite le singole unità di glucosio nelle lunghe catene ramificate del glicogeno, il prodotto dell’azione della glicogeno fosforilasi è il glucosio-1-fosfato

               (1,4-α-D-glicosil)n + fosfato = (1,4-α-D-glicosil)n-1 + α-D-glucosio 1-fosfato

 

Il glucosio-1-fosfato può essere per opera di una mutasi (fosfoglucomutasi) trasformato in glucosio-6-fosfato che può prendere la via glicolitica e formare piruvato, naturalmente però noi stiamo considerando questo altro destino alternativo alla glicolisi che possiamo avere nel fegato (sottolineo nel fegato perché l’enzima che può aggirare la glucocinasi o esocinasi è esclusivo del fegato ed è la glucosio-6-fosfatasi e consente di tornare indietro da glucosio-6-fosfato a glucosio neutro più fosfato inorganico, per questo motivo è il fegato che in caso di ipoglicemia può mandare in circolo il glucosio, glucosio neutro perché sappiamo che questa è l’unica forma che può attraversare la membrana). Per cui una prima risposta alla ipoglicemia è la mobilizzazione del glucosio che si trova dentro all’epatocita stesso in forma di glicogeno.

La glicogeno fosforilasi stacca il glucosio all’estremità non riducente del legame 1-4 glucosidico quindi quello che si forma ad opera di questa glicogenofosforilasi che utilizza fosfato inorganico è glucosio-1-fosfato. A seguito dell’azione della glicogeno fosforilasi naturalmente avremo una catena di glicogeno con una unità di glucosio in meno.