Glyconeogenic pathway in isolated skeletal muscles of rats Analúcia Rampazzo Xavier, José Eduardo de Salles Roselino, Neusa Maria Zanon Resano, Maria Antonieta Rissato Garófalo, Renato Helios Migliorini, and Isis do Carmo Kettelhut Abstract: Although the conversion of lactate to glycogen (glyconeogenesis) in muscle was demonstrated a long time ago, the biochemical reactions responsible for this process are still a controversial matter. In the present study, advan- tage was taken from the specific inhibition induced by phenylalanine on muscle pyruvate kinase (PK) to investigate the role of reverse PK activity in muscle glyconeogenesis. Addition of phenylalanine to the incubation medium of a prepa- ration of isolated, intact skeletal muscles that maintain metabolic activity for several hours reduced by 50% the rate of incorporation of [ 14 C]lactate or [ 14 C]bicarbonate into muscle glycogen. Muscle extracts presented high levels of maxi- mal activity of PK in the reverse direction, which was completely blocked in the presence of phenylalanine. In con- trast, mercaptopicolinic acid, an inhibitor of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK), did not affect the incorporation of 14 C from either lactate or bicarbonate into muscle glycogen. Maximal PEPCK activity was much lower in muscle extracts than in gluconeogenic or glyceroneogenic tissues and was suppressed in the presence of mercaptopicolinic acid. The data suggest that a reversal of the metabolic flux through the reaction catalyzed by PK contributes to the accumulation of lactate-derived glycogen that occurs in skeletal muscle under certain physiological conditions. Key words: lactate, glyconeogenesis, skeletal muscle, reverse pyruvate kinase reaction, phenylalanine. Résumé : La conversion du lactate en glycogène (néoglycogenèse) dans le muscle a été démontrée il y a longtemps; toutefois, les réactions biochimiques à l’origine de ce processus sont encore un sujet de controverse. Dans la présente étude, on s’est appuyé sur l’inhibition spécifique induite par la phénylalanine sur la pyruvate kinase (PK) musculaire pour examiner le rôle de l’activité PK inverse dans la néoglycogenèse du muscle. L’ajout de phénylalanine au milieu d’incubation d’une préparation de muscles squelettiques intacts isolés, qui maintiennent une activité métabolique pen- dant plusieurs heures, a réduit de 50% le taux d’incorporation de [ 14 C]lactate ou de [ 14 C]bicarbonate dans le glycogène musculaire. Des extraits musculaires ont présenté de hauts taux d’activité maximale de la PK en direction inverse, laquelle a été totalement bloquée en présence de phénylalanine. Par contre, l’acide mercaptopicolinique, un inhibiteur de la phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK), n’a pas eu d’effet sur l’incorporation de 14 C provenant du lactate ou du bicarbonate dans le glycogène musculaire. L’activité PEPCK maximale a été beaucoup plus faible dans les extraits musculaires que dans les tissus néoglucogéniques ou néoglycérogéniques, et a elle été supprimée en présence d’acide mercaptopicolinique. Les résultats donnent à penser qu’une inversion de flux métabolique par la réaction catalysée par la pyruvate kinase contribue à l’accumulation de glycogène dérivé du lactate dans le muscle squelettique dans certains états physiologiques. Mots clés : lactate, néoglycogenèse, muscle squelettique, réaction inverse de la pyruvate kinase, phénylalanine. [Traduit par la Rédaction] Xavier et al. 167 Introduction Gluconeogenic activity, functionally linked to homeostatic maintenance of blood glucose levels in mammals, occurs mainly, if not solely, in liver and kidney. Numerous studies (Cavert and Boyd 1956; Hiatt et al. 1957; Bendall and Tay- lor 1970; McLane and Holloszy 1979; Shiota et al. 1984; Bonen et al. 1990; Pagliassotti and Donovan 1990) have shown that skeletal muscle from several species, although unable to synthesize and release glucose to the blood, can synthesize glycogen from noncarbohydrate substrates, espe- cially lactate (glyconeogenesis). However, the biochemical pathways responsible for this process are still unknown. Glycolysis and gluconeogenesis can be reciprocally regu- lated at several key enzymatic steps. With respect to pyruvate kinase (PK), using a coupled assay system in vitro, it has been found that this enzyme is capable of supporting phosphoenolpyruvate (PEP) synthesis at rates consistent with observed rates of glycogen synthesis from lactate in Can. J. Physiol. Pharmacol. 80: 162–167 (2002) DOI: 10.1139/Y01-013 © 2002 NRC Canada 162 Received 23 March 2001. Published on the NRC Research Press Web site at http://cjpp.nrc.ca on 1 March 2002. A.R. Xavier, J.E.S. Roselino, N.M.Z. Resano, M.A.R. Garófalo, R.H. Migliorini, and I.C. Kettelhut. 1 Department of Biochemistry, Immunology and Physiology, School of Medicine of Ribeirão Preto, University of São Paulo, Avenida Bandeirantes, No. 3900, 14090-900, Ribeirão Preto, São Paulo, Brazil. 1 Corresponding author (e-mail address: idckette@fmrp.usp.br).