Gluconeogenese er en metabolisk vej, der fører til dannelsen af glucose fra ikke-kulhydratforbindelser (især pyruvat ). Sammen med glykogenolyse opretholder denne vej det blodsukkerniveau , der er nødvendigt for mange vævs og organers funktion, primært nervevæv og røde blodlegemer . Det tjener som en vigtig kilde til glukose under tilstande med utilstrækkelig mængde glykogen , for eksempel efter længere tids faste eller hårdt fysisk arbejde [1] [2] . Glukoneogenese er en væsentlig del af Cori-cyklussen.desuden kan denne proces bruges til at omdanne pyruvat dannet under deamineringen af aminosyrerne alanin og serin [3] .
Den overordnede ligning for glukoneogenese er som følger:
2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H + + 6 H2O → glucose + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2NAD + [4] .Glukoneogenese forekommer hovedsageligt i leveren , men den foregår også mindre intensivt i det kortikale stof i nyrerne og tarmslimhinden [ 2] .
Glukoneogenese og glykolyse reguleres gensidigt: hvis cellen tilføres tilstrækkelig energi , stopper glykolysen, og glukoneogenesen starter; tværtimod, når glykolysen aktiveres, suspenderes glukoneogenesen [5] .
Glukoneogenese forekommer i dyr , planter , svampe og mikroorganismer . Dets reaktioner er de samme for alle væv og biologiske arter . Vigtige forstadier til glukose hos dyr er forbindelser med tre kulstofatomer såsom laktat , pyruvat, glycerol samt nogle aminosyrer . Hos pattedyr forekommer gluconeogenese primært i leveren og i mindre grad i nyrebarken og epitelcellerne i tyndtarmen . Glukosen dannet under glukoneogenese går ind i blodet, hvorfra den leveres til andre væv. Efter intenst fysisk arbejde vender laktat, dannet under anaerob glykolyse i skeletmusklerne , tilbage til leveren og omdannes der til glukose, som igen trænger ind i musklerne eller omdannes til glykogen (denne cyklus er kendt som Cori-cyklussen ). I plantefrøplanter omdannes de fedtstoffer og proteiner, der er lagret i frøet , herunder gennem gluconeogenese, til disaccharidet saccharose , som transporteres gennem hele planten under udvikling. Glucose og dets derivater tjener som forløbere for syntesen af plantecellevæggen , nukleotider , coenzymer og mange andre vitale metabolitter . Hos mange mikroorganismer begynder glukoneogenesen med simple organiske forbindelser indeholdende to eller tre kulstofatomer , såsom acetat , laktat og propionat , som findes i næringsmediet [1] .
Selvom reaktionerne af glukoneogenese er de samme i alle organismer, er tilstødende metaboliske veje og regulatoriske veje for glukoneogenese forskellige mellem arter og væv [1] . Denne artikel diskuterer funktionerne i glukoneogenese hos pattedyr; for de mekanismer, hvorved planter syntetiserer glukose fra fotosyntesens primære produkter, se Fotosyntese .
Gluconeogenese og glykolyse er ikke fuldstændig identiske processer, der forekommer i modsatte retninger, selvom flere trin er fælles for begge processer: 7 ud af 10 enzymatiske reaktioner af gluconeogenese er omvendte til de tilsvarende reaktioner af glykolyse. Imidlertid er 3 reaktioner af glykolyse irreversible in vivo og kan ikke bruges i gluconeogenese: dannelse af glucose-6-phosphat fra glucose ved virkningen af enzymet hexokinase , phosphorylering af fructose-6-phosphat til fructose-1,6-bisphosphat phosphofructokinase-1 (PFK-1), såvel som omdannelsen af phosphoenolpyruvat til pyruvat med pyruvatkinase . Under cellulære forhold har disse reaktioner en stor negativ Gibbs energiændring , mens andre glykolysereaktioner har ΔG omkring 0. I glukoneogenese er de tre irreversible trin i glykolysen erstattet af "bypass"-reaktioner katalyseret af andre enzymer, og disse reaktioner er også meget eksergonisk og derfor irreversibel. I celler er både glykolyse og gluconeogenese således irreversible processer. Hos dyr forekommer glykolyse kun i cytosolen , ligesom de fleste af reaktionerne ved glukoneogenese, selvom nogle af dens reaktioner forekommer i mitokondrier og det endoplasmatiske retikulum [6] . Dette gør det muligt for deres koordinerede og gensidigt omvendte regulering. Reguleringsmekanismer, der adskiller sig mellem glykolyse og gluconeogenese, virker på enzymatiske reaktioner, der er unikke for hver proces [1] .
Nedenfor er et diagram over reaktionerne af gluconeogenese:
De 3 trin af gluconeogenese diskuteres nedenfor, forskellige fra reaktionerne af glykolyse udført i den modsatte retning.
Den første reaktion af gluconeogenese er omdannelsen af pyruvat til phosphoenolpyruvat (PEP). Denne reaktion kan ikke være den omvendte pyruvatkinasereaktion af glykolysen, da pyruvatkinasereaktionen har en stor negativ ændring i Gibbs-energien og derfor er irreversibel under cellulære forhold. I stedet udføres pyruvat-phosphorylering på en "rundkørsel" måde, for hvis reaktioner i eukaryoter kræves både cytosoliske og mitokondrielle enzymer [8] .
Indledningsvis overføres pyruvat fra cytosolen til mitokondrierne eller dannes i mitokondrierne fra alanin ved transaminering , hvor α-aminogruppen overføres fra alanin til α-ketocarboxylsyre. Derefter omdanner mitokondrieenzymet pyruvatcarboxylase , hvis aktivitet kræver coenzymet biotin , pyruvat til oxaloacetat :
Pyruvat + HCO 3 - + ATP → oxaloacetat + ADP + Pi [9] .Denne carboxyleringsreaktion involverer biotin som en aktiveret bicarbonatbærer . HCO 3 - phosphoryleret med prisen for ATP med dannelse af et blandet anhydrid (carboxyphosphat). Derefter tilsættes biotin til stedet for fosfat i carboxyfosfat. Mekanismen for denne reaktion er vist til højre [7] .
Pyruvatcarboxylase er det første regulerede enzym af gluconeogenese, dets positive effektor er acetyl-CoA (acetyl-CoA dannes under β-oxidation af fedtsyrer , og dets akkumulering signalerer tilgængeligheden af fedtsyrer som en energiressource ). Derudover leverer pyruvatcarboxylasereaktionen mellemprodukter til en anden central metabolisk vej, tricarboxylsyrecyklussen [7] .
Da der ikke er nogen oxaloacetatbærerproteiner i mitokondriemembranen , før eksport til cytosolen, skal oxaloacetat dannet under pyruvatcarboxylasereaktionen reversibelt reduceres til malat af mitokondrieenzymet malatdehydrogenase med indtagelse af NADH:
Oxaloacetat + NADH + H + ⇌ L-malat + NAD + .Standardændringen i Gibbs-energien for denne reaktion er ret stor, men under fysiologiske forhold (herunder en meget lav koncentration af oxaloacetat) er dens ΔG ≈ 0, så denne reaktion er reversibel. Mitokondriel malatdehydrogenase er involveret i både gluconeogenese og tricarboxylsyrecyklussen og udfører både fremadrettede og omvendte reaktioner [10] . Oxaloacetat kan også overføres fra mitokondrierne til cytosolen efter transaminering til aspartat [6] .
Malat forlader mitokondrierne gennem et specielt transportprotein på mitokondrernes indre membran , og i cytosolen reoxideres det til oxaloacetat med dannelse af cytosolisk NADH:
Malat + NAD + → oxaloacetat + NADH + H + [10] .Derefter omdannes oxaloacetat til phosphoenolpyruvat ved virkningen af phosphoenolpyruvat carboxykinase . I denne Mg2 + -afhængige reaktion virker GTP som en phosphorylgruppedonor:
Oxaloacetat + GTP ↔ Phosphoenolpyruvat + CO 2 + BNP.Under cellulære forhold er denne reaktion reversibel; dannelsen af phosphoenopyruvat kompenseres af hydrolyse af en anden højenergi-phosphatholdig forbindelse, GTP [10] .
Den generelle ligning for de to første "bypass" hydrolysereaktioner er som følger:
Pyruvat + ATP + GTP + HCO3- → Phosphoenolpyruvat + ADP + GDP + Pi + CO2 ; ΔG' o \u003d 0,9 kJ/mol.To højenergi-phosphatækvivalenter (den ene fra ATP og den anden fra GTP), som hver kan give 50 kJ / mol under cellulære forhold, bruges til at phosphorylere et pyruvatmolekyle til dannelse af phosphoenolpyruvat. I den tilsvarende glykolysereaktion (under dannelsen af pyruvat fra PEP) dannes der dog kun ét ATP- molekyle fra ADP. Selvom standardændringen i Gibbs-energien ΔG'o i to-trins omdannelsen af pyruvat til phosphoenolpyruvat er 0,9 kJ/mol, har den faktiske ændring i Gibbs-energien (ΔG), beregnet under hensyntagen til intracellulære koncentrationer af forbindelser, en stor negativ værdi (-25 kJ/mol). Årsagen til dette er den hurtige anvendelse af phosphoenolpyruvat i andre reaktioner, så dets koncentration forbliver relativt lav. Af denne grund er dannelsen af PEP fra pyruvat under påvirkning af gluconeogenetiske enzymer under cellulære forhold irreversibel [10] .
Det skal bemærkes, at den samme CO2 , som tilsættes til pyruvat under pyruvatcarboxylasereaktionen, frigives under phosphoenolpyruvatcarboxykinasereaktionen. Sådan carboxylering-decarboxylering er måden at "aktivere" pyruvat på, det vil sige, decarboxylering af oxaloacetat fremmer dannelsen af phosphoenolpyruvat [10] .
[NADH]/[NAD + ]-forholdet i cytosolen er 8 × 10 4 , hvilket er omkring 10 5 gange mindre end i mitokondrier. Da cytosolisk NADH bruges i gluconeogenese (ved dannelse af glyceraldehyd-3-phosphat fra 1,3-bisphosphoglycerat ), kan glukosebiosyntese ikke forekomme, hvis der ikke er tilgængelig NADH. Transporten af malat fra mitokondrierne til cytosolen og dets omdannelse til oxaloacetat i cytosolen transporterer effektivt reducerende ækvivalenter til cytosolen, hvor de er knappe. Således giver denne vej fra pyruvat til PEP en vigtig balance mellem NADH-forbrug og produktion i cytosolen under gluconeogenese [10] .
Det blev bemærket ovenfor, at ud over pyruvat kan laktat også fungere som en forløber for gluconeogenese. Denne vej sikrer brugen af laktat, dannet for eksempel under glykolyse i erytrocytter eller i muskler under anaerobe forhold. Denne vej er især vigtig for store hvirveldyr efter hårdt fysisk arbejde. Omdannelsen af laktat til pyruvat i hepatocytternes cytosol fører til dannelsen af NADH, så der er ikke behov for at eksportere reducerende ækvivalenter (for eksempel malat) fra mitokondrier. Efter at pyruvatet dannet i lactatdehydrogenasereaktionen er transporteret ind i mitokondrierne, omdannes det til oxaloacetat ved indvirkning af pyruvatcarboxylase, som beskrevet ovenfor. Dette oxaloacetat omdannes imidlertid direkte til phosphoenolpyruvat af det mitokondrielle isoenzym phosphoenolpyruvat carboxykinase, og PEP renses fra mitokondrierne ind i cytosolen, hvor yderligere gluconeogenese-reaktioner finder sted [11] .
I planter og nogle bakterier er der fundet to enzymer, der kan danne PEP direkte fra pyruvat. Blandt dem er phosphoenolpyruvatsyntasen fra bakterien Escherichia coli . Når dette enzym virker, binder dets histidinrest en pyrophosphatgruppe taget fra ATP. Ydermere hydrolyseres pyrophosphatgruppen med frigivelsen af fosfat og dannelsen af enzymet-His-P-forbindelsen. Sidstnævnte interagerer med pyruvat og danner PEP. En lignende mekanisme er iboende i pyruvatphosphatdikinase , som først blev beskrevet i tropiske kornsorter og spiller en vigtig rolle i C4 - fotosyntesen , og som også er involveret i gluconeogenesen i Acetobacter . Den eneste forskel mellem dette enzym og fosfoenolpyruvatsyntase er, at den angribende partikel ikke er vand, men uorganisk fosfat [12] .
Den anden reaktion af glykolyse, som ikke kan duplikeres af den omvendte reaktion i gluconeogenese, er phosphoryleringen af fructose-6-phosphat med phosphofructokinase-1. Da denne reaktion er meget eksergonisk og derfor irreversibel under cellulære forhold, katalyseres dannelsen af fructose-6-phosphat fra fructose-1,6-bisphosphat af et andet enzym, Mg 2+ -afhængig fructose-1,6-bisphosphatase-1 ( FBPase-1), som katalyserer den irreversible hydrolyse af fosfat ved det første carbonatom (og ikke overførslen af phosphorylgruppen til ADP):
Fructose-1,6-bisphosphat + H 2 O → fructose-6-phosphat + Pi , ΔG' o = -16,3 kJ/mol [4] .Ud over fructose-1,6-bisphosphatase-1 er der fructose-1,6-bisphosphatase-2, som udfører regulerende funktioner [4] .
Den tredje "bypass"-reaktion er den sidste reaktion af gluconeogenese: dephosphorylering af glucose-6-phosphat til dannelse af glucose. Hvis hexokinase udførte denne omvendte reaktion, ville den blive ledsaget af overførslen af en phosphorylgruppe fra glucose-6-phosphat til ADP med dannelsen af ATP, hvilket er energetisk ugunstigt. Reaktionen katalyseret af glucose-6-phosphatase involverer ikke ATP-syntese og er en simpel hydrolyse af en fosfatester:
Glucose-6-phosphat + H 2 O → glucose + Pi , ΔG' o = -13,8 kJ/mol [4] .Dette Mg 2+ -afhængige enzym findes på den lumenale side af det endoplasmatiske retikulum af hepatocytter, i nyreceller og epitelceller i tyndtarmen, men det findes ikke i andre væv, så andre væv er ude af stand til at levere glukose til blod. Hvis de havde glucose-6-phosphatase, så ville det hydrolysere glucose-6-phosphat, som er nødvendigt for disse væv til glykolyse. Glukose, dannet under glukoneogenese i lever og nyrer eller absorberet med mad, føres gennem blodbanen til disse væv, herunder hjernen og musklerne [4] .
Den overordnede ligning for de biosyntetiske reaktioner af gluconeogenese, der fører til dannelsen af glucose fra pyruvat, ser sådan ud:
2 Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 4H20 → glucose + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD + .For hvert glukosemolekyle dannet af pyruvat er der brug for 6 højenergifosfatgrupper, hvoraf 4 kommer fra ATP og 2 fra GTP. Derudover er 2 molekyler NADH nødvendige for at reducere to molekyler af 1,3-bisphosphoglycerat. Samtidig er der kun brug for 2 molekyler ATP til glykolyse. Af denne grund er syntesen af glucose fra pyruvat en dyr proces. Det meste af den brugte energi sikrer irreversibiliteten af glukoneogenese. Under cellulære forhold er den totale ændring i Gibbs-energien under glykolysen -63 kJ/mol, og under gluconeogenese -16 kJ/mol. Under cellulære forhold er både glykolyse og glukoneogenese således irreversible [13] .
Den ovenfor beskrevne biosyntesevej for glucosedannelse refererer til syntesen af glucose ikke kun fra pyruvat, men også fra 4-, 5- og 6-carbon-mellemprodukter i tricarboxylsyrecyklussen. Citrat , isocitrat , α-ketoglutarat , succinyl-CoA succinat , fumarat og malat er alle mellemprodukter i citronsyrecyklussen, der kan oxideres til oxaloacetat. Nogle eller alle kulstofatomerne i de fleste aminosyrer kan kataboliseres til pyruvat- eller citronsyrecyklusmellemprodukter. Derfor kan disse aminosyrer omdannes til glukose og kaldes glucogene . Alanin og glutamin , kritiske molekyler, der transporterer aminogrupper til leveren fra andre væv, er særligt vigtige glukogene aminosyrer hos pattedyr. Efter at disse aminosyrer donerer deres aminogrupper i levermitokondrier, er deres kulstofrygrad (henholdsvis pyruvat og α-ketoglutarat) involveret i gluconeogenese [14] . Aminosyrer dannes under nedbrydningen af muskel- og bindevævsproteiner , deres inklusion i glukoneogenesen sker under længerevarende faste eller længerevarende fysisk aktivitet [2] .
Planter, gær og mange bakterier har en vej, der gør det muligt at få kulhydrater fra fedtsyrer - glyoxylatcyklussen . Dyr har ikke nøgleenzymer i denne cyklus, og på grund af irreversibiliteten af pyruvatdehydrogenasereaktionen kan de ikke modtage pyruvat fra acetyl-CoA og danner derfor kulhydrater fra fedtsyrer (og dermed fra lipider ). De kan dog til gluconeogenese bruge de små mængder glycerol, som dannes under nedbrydningen af fedtstoffer. I dette tilfælde phosphoryleres glycerol af glycerolkinase , efterfulgt af oxidation af det centrale carbonatom med dannelse af dihydroxyacetonephosphat , som er en mellemforbindelse af gluconeogenese [14] .
Glycerolphosphat er et nødvendigt mellemprodukt i syntesen af fedtstoffer ( triglycerider ) i adipocytter , men disse celler mangler glycerolkinase og kan derfor ikke phosphorylere glycerol. I stedet kan adipocytter udføre en forkortet version af gluconeogenese kendt som glyceroneogenese : omdannelsen af pyruvat til dihydroxyacetonephosphat gennem de første reaktioner af gluconeogenese, efterfulgt af reduktion af dihydroxyacetonephosphat til glycerolphosphat [14] .
Hvis glykolyse og gluconeogenese forløb samtidigt og med høj hastighed, ville resultatet være ATP-forbrug og varmeproduktion . For eksempel katalyserer phosphofructokinase-1 og fructose-1,6-bisphosphatase-1 modsatte reaktioner:
ATP + fructose-6-phosphat → ADP + fructose-1,6-bisphosphat (PFK-1) Fructose-1,6-bisphosphat + H2O → fructose-6-phosphat + Pi (FBPase-1) .Summen af disse to reaktioner er
ATP + H2O → ADP + Pi + varme .Disse to enzymatiske reaktioner, såvel som en række andre reaktioner af disse to veje, reguleres af allosteriske og kovalente modifikationer. Glykolyse og glukoneogenese reguleres gensidigt, det vil sige, at hvis strømmen af glukose, der passerer gennem glykolysen, øges, falder strømmen af pyruvat, der passerer gennem gluconeogenesen, og omvendt [5] . For eksempel undertrykkes FBPase-1 stærkt af allosterisk AMP -binding , så når cellulære ATP-lagre er lave og AMP-niveauer er høje, suspenderes ATP-afhængig glucosesyntese, mens PFK-1, som katalyserer den tilsvarende glykolysereaktion, aktiveres af AMP [15] . Selvom PFK-1 aktiveres af fructose-2,6-bisphosphat , har denne forbindelse den modsatte effekt på FBPase-1: den reducerer dens affinitet til substrater og bremser derved gluconeogenesen [16] .
På pyruvat-til-glukose-vejen er det første kontrolpunkt, der bestemmer den fremtidige skæbne for pyruvat i mitokondrierne, om det omdannes til acetyl-CoA af pyruvat-dehydrogenasekomplekset med yderligere involvering i tricarboxylsyrecyklussen, eller til oxaloacetat af virkning af pyruvatcarboxylase for at starte gluconeogenese. . Når fedtsyrer er tilgængelige som energikilde, producerer deres nedbrydning i mitokondrier acetyl-CoA, som fungerer som et signal om, at der ikke er behov for yderligere glucoseoxidation. acetyl-CoA er en positiv allosterisk modulator af pyruvatcarboxylase og en negativ modulator af pyruvatdehydrogenasekomplekset; dets virkning medieres af stimulering af proteinkinase, som inaktiverer dehydrogenase. Når cellens energibehov er opfyldt, bremses oxidativ fosforylering, NADH-koncentrationer stiger i forhold til NAD + , tricarboxylsyrecyklussen undertrykkes, og acetyl-CoA akkumuleres. En øget koncentration af acetyl-CoA undertrykker pyruvatdehydrogenasekomplekset og bremser derved dannelsen af acetyl-CoA fra pyruvat og stimulerer gluconeogenese gennem aktivering af pyruvatcarboxylase, hvilket gør det muligt at omdanne overskydende pyruvat til oxaloacetat (og efterfølgende glucose ) 17] .
Det således opnåede oxaloacetat omdannes til phosphoenolpyruvat ved indvirkning af phosphoenolpyruvat carboxykinase. Hos pattedyr reguleres dette essentielle enzym af gluconeogenese på niveauet af dets syntese og nedbrydning under indflydelse af diæt og hormonelle signaler. Så dens promotor har 15 eller flere regulatoriske elementer, genkendt af mindst 12 kendte transkriptionsfaktorer , og som forventet endnu flere endnu ikke beskrevet. Sult eller høje niveauer af glukagon øger transskriptionen af dette enzym og stabiliserer dets mRNA . Virkningen af glucagon medieres af den cykliske AMP-respons element binding protein ( CREB ) transkriptionsfaktor , som aktiverer syntesen af glucose-6-phosphatase og phosphoenolpyruvat carboxylase som reaktion på en stigning i intracellulær cAMP koncentration forårsaget af glucagon . Insulin eller højt blodsukker har den modsatte effekt. Disse ændringer, der hovedsageligt skyldes ekstracellulære signaler (ernæring, hormoner), kan vare fra flere minutter til flere timer [17] . Insulin sænker også ekspressionen af generne for glucose-6-phosphatase og fructose-1,6-bisphosphatase. En anden transkriptionsfaktor, der regulerer ekspressionen af gener for gluconeogenese enzymer, er FOXO1 ( forkhead box other ) . Insulin aktiverer proteinkinase B , som phosphorylerer FOXO1 i cytosolen. Ubiquitin binder sig til phosphoryleret FOXO1 , og FOXO1 nedbrydes i proteasomet , men i fravær af phosphorylering eller dephosphorylering kan FOXO1 trænge ind i kernen , binde sig til det tilsvarende regulatoriske element på DNA og starte transkription af phosphoenolpykruvate-carboxykruvat- og phosphoenolpykruvaten. fosfatase gener . Fosforylering af FOXO1 af proteinkinase B hæmmes af glucagon [18] .
Med et fald i brugen af laktat som et substrat for gluconeogenese, som kan være forårsaget af en defekt i gluconeogenese enzymer, stiger koncentrationen af laktat i blodet, hvilket fører til et fald i blodets pH og udvikling af laktatacidose . Det skal bemærkes, at kortvarig laktatacidose forekommer hos raske mennesker med intenst muskelarbejde, i dette tilfælde kompenseres det ved hyperventilation af lungerne og accelereret fjernelse af kuldioxid [19] .
Ethanol har en signifikant effekt på glukoneogenesen . Som et resultat af dets katabolisme øges mængden af NADH, hvilket forskyder balancen i laktatdehydrogenasereaktionen mod dannelsen af laktat, et fald i dannelsen af pyruvat og en opbremsning i glukoneogenesen [19] .