Glukoneogenes är en metabolisk väg som leder till bildning av glukos från icke-kolhydratföreningar (särskilt pyruvat ). Tillsammans med glykogenolys upprätthåller denna väg den blodsockernivå som är nödvändig för att många vävnader och organ ska fungera, främst nervvävnad och röda blodkroppar . Det fungerar som en viktig källa till glukos vid tillstånd med otillräcklig mängd glykogen , till exempel efter långvarig fasta eller hårt fysiskt arbete [1] [2] . Glukoneogenes är en viktig del av Cori-cykeln.dessutom kan denna process användas för att omvandla pyruvat som bildas under deamineringen av aminosyrorna alanin och serin [3] .
Den övergripande ekvationen för glukoneogenes är följande:
2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H + + 6 H2O → glukos + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2NAD + [ 4] .Glukoneogenes sker huvudsakligen i levern , men den sker också mindre intensivt i den kortikala substansen i njurarna och tarmslemhinnan [ 2] .
Glukoneogenes och glykolys regleras ömsesidigt: om cellen förses med tillräcklig energi , stoppar glykolysen och glukoneogenesen startar; tvärtom, när glykolysen aktiveras avbryts glukoneogenesen [5] .
Glukoneogenes förekommer i djur , växter , svampar och mikroorganismer . Dess reaktioner är desamma för alla vävnader och biologiska arter . Viktiga prekursorer för glukos hos djur är trekolföreningar som laktat , pyruvat, glycerol , såväl som vissa aminosyror . Hos däggdjur sker glukoneogenes främst i levern och i mindre utsträckning i njurbarken och epitelceller som kantar tunntarmen . Glukosen som bildas under glukoneogenesen går in i blodet, varifrån den levereras till andra vävnader. Efter intensivt fysiskt arbete återgår laktat, som bildas under anaerob glykolys i skelettmusklerna , till levern och omvandlas där till glukos, som återigen kommer in i musklerna eller omvandlas till glykogen (denna cykel kallas Cori-cykeln ). I växtplantor omvandlas fetterna och proteinerna som lagras i fröet , inklusive genom glukoneogenes, till disackariden sackaros , som transporteras genom hela växten under utveckling. Glukos och dess derivat fungerar som prekursorer för syntesen av växtens cellvägg , nukleotider , koenzymer och många andra vitala metaboliter . Hos många mikroorganismer börjar glukoneogenesen med enkla organiska föreningar som innehåller två eller tre kolatomer , såsom acetat , laktat och propionat , som finns i näringsmediet [1] .
Även om reaktionerna av glukoneogenes är desamma i alla organismer, skiljer sig angränsande metaboliska vägar och reglerande vägar för glukoneogenes mellan arter och vävnader [1] . Denna artikel diskuterar egenskaperna hos glukoneogenes hos däggdjur; för mekanismerna genom vilka växter syntetiserar glukos från fotosyntesens primära produkter, se Fotosyntes .
Glukoneogenes och glykolys är inte helt identiska processer som sker i motsatta riktningar, även om flera steg är gemensamma för båda processerna: 7 av 10 enzymatiska reaktioner av glukoneogenes är omvända till motsvarande reaktioner av glykolys. Tre reaktioner av glykolys är dock irreversibla in vivo och kan inte användas i glukoneogenes: bildning av glukos-6-fosfat från glukos genom inverkan av enzymet hexokinas , fosforylering av fruktos-6-fosfat till fruktos-1,6-bisfosfat av fosfofruktokinas-1 (PFK-1), såväl som omvandlingen av fosfoenolpyruvat till pyruvat genom pyruvatkinas . Under cellulära förhållanden har dessa reaktioner en stor negativ Gibbs energiförändring , medan andra glykolysreaktioner har ΔG runt 0. I glukoneogenes ersätts de tre irreversibla stegen i glykolysen av "bypass"-reaktioner katalyserade av andra enzymer, och dessa reaktioner är också mycket exergonisk och därför irreversibel. Sålunda, i celler, är både glykolys och glukoneogenes irreversibla processer. Hos djur sker glykolys endast i cytosolen , liksom de flesta av reaktionerna vid glukoneogenes, även om några av dess reaktioner inträffar i mitokondrier och det endoplasmatiska retikulumet [6] . Detta gör det möjligt för deras samordnade och ömsesidigt omvända reglering. Regulatoriska mekanismer som skiljer sig mellan glykolys och glukoneogenes verkar på enzymatiska reaktioner som är unika för varje process [1] .
Nedan är ett diagram över reaktionerna av glukoneogenes:
De tre stadierna av glukoneogenes diskuteras nedan, skilda från reaktionerna av glykolys som utförs i motsatt riktning.
Den första reaktionen av glukoneogenes är omvandlingen av pyruvat till fosfoenolpyruvat (PEP). Denna reaktion kan inte vara den omvända pyruvatkinasreaktionen av glykolys, eftersom pyruvatkinasreaktionen har en stor negativ förändring i Gibbs-energin och därför är irreversibel under cellulära förhållanden. Istället utförs pyruvatfosforylering på ett "roundabout"-sätt, för vars reaktioner i eukaryoter krävs både cytosoliska och mitokondriella enzymer [8] .
Initialt överförs pyruvat från cytosolen till mitokondrierna eller bildas i mitokondrierna från alanin genom transaminering , där α-aminogruppen överförs från alanin till α-ketokarboxylsyra. Därefter omvandlar det mitokondriella enzymet pyruvatkarboxylas , vars aktivitet kräver koenzymet biotin , pyruvat till oxaloacetat :
Pyruvat + HCO3- + ATP → oxaloacetat + ADP + Pi [ 9] .Denna karboxyleringsreaktion involverar biotin som en aktiverad bikarbonatbärare . HCO 3 - fosforylerad med kostnaden för ATP med bildning av en blandad anhydrid (karboxifosfat). Därefter tillsätts biotin till platsen för fosfat i karboxifosfat. Mekanismen för denna reaktion visas till höger [7] .
Pyruvatkarboxylas är det första reglerade enzymet av glukoneogenes, dess positiva effektor är acetyl-CoA (acetyl-CoA bildas under β-oxidation av fettsyror , och dess ackumulering signalerar tillgången på fettsyror som en energiresurs ). Dessutom levererar pyruvatkarboxylasreaktionen intermediärer till en annan central metabolisk väg, trikarboxylsyracykeln [7] .
Eftersom det inte finns några oxaloacetatbärarproteiner i mitokondriella membranet , innan export till cytosolen, måste oxaloacetat som bildas under pyruvatkarboxylasreaktionen reversibelt reduceras till malat av mitokondriella enzymet malatdehydrogenas med konsumtion av NADH:
Oxaloacetat + NADH + H + ⇌ L-malat + NAD + .Standardförändringen i Gibbs-energin för denna reaktion är ganska stor, men under fysiologiska förhållanden (inklusive en mycket låg koncentration av oxaloacetat) är dess ΔG ≈ 0, så denna reaktion är reversibel. Mitokondriellt malatdehydrogenas är involverat i både glukoneogenes och trikarboxylsyracykeln och utför både framåt- och bakåtreaktioner [10] . Oxaloacetat kan också överföras från mitokondrierna till cytosolen efter transaminering till aspartat [6] .
Malat lämnar mitokondrierna genom ett speciellt transportprotein på mitokondriernas inre membran och i cytosolen återoxideras det till oxaloacetat med bildning av cytosoliskt NADH:
Malat + NAD + → oxaloacetat + NADH + H + [10] .Därefter omvandlas oxaloacetat till fosfoenolpyruvat genom inverkan av fosfoenolpyruvatkarboxykinas . I denna Mg 2+ -beroende reaktion fungerar GTP som en fosforylgruppdonator:
Oxaloacetat + GTP ↔ Fosfoenolpyruvat + CO 2 + BNP.Under cellulära förhållanden är denna reaktion reversibel; bildandet av fosfoenopyruvat kompenseras av hydrolysen av en annan högenergifosfathaltig förening, GTP [10] .
Den allmänna ekvationen för de två första "bypass"-hydrolysreaktionerna är följande:
Pyruvat + ATP + GTP + HCO3- → Fosfoenolpyruvat + ADP + GDP + Pi + CO2 ; ΔG' o \u003d 0,9 kJ/mol.Två högenergifosfatekvivalenter (en från ATP och den andra från GTP), som var och en kan ge 50 kJ / mol under cellulära förhållanden, används för att fosforylera en pyruvatmolekyl för att bilda fosfoenolpyruvat. I motsvarande glykolysreaktion (under bildandet av pyruvat från PEP) bildas emellertid endast en ATP- molekyl från ADP. Även om standardändringen i Gibbs-energin ΔG'o i tvåstegsomvandlingen av pyruvat till fosfoenolpyruvat är 0,9 kJ/mol, har den faktiska förändringen i Gibbs-energin (ΔG), beräknad med hänsyn till intracellulära koncentrationer av föreningar, en stor negativt värde (-25 kJ/mol). Anledningen till detta är den snabba användningen av fosfoenolpyruvat i andra reaktioner, så att dess koncentration förblir relativt låg. Av denna anledning är bildandet av PEP från pyruvat under inverkan av glukoneogenetiska enzymer under cellulära förhållanden irreversibel [10] .
Det bör noteras att samma CO2 som tillsätts till pyruvat under pyruvatkarboxylasreaktionen frisätts under fosfoenolpyruvatkarboxykinasreaktionen. Sådan karboxylering-dekarboxylering är sättet att "aktivera" pyruvat, det vill säga dekarboxylering av oxaloacetat främjar bildningen av fosfoenolpyruvat [10] .
[NADH]/[NAD + ]-förhållandet i cytosolen är 8 × 10 4 , vilket är cirka 10 5 gånger mindre än i mitokondrier. Eftersom cytosoliskt NADH används i glukoneogenes (vid bildning av glyceraldehyd-3-fosfat från 1,3-bisfosfoglycerat ) kan inte glukosbiosyntes ske om det inte finns tillgängligt NADH. Transporten av malat från mitokondrierna till cytosolen och dess omvandling till oxaloacetat i cytosolen transporterar effektivt reducerande ekvivalenter till cytosolen där de är knappa. Således ger denna väg från pyruvat till PEP en viktig balans mellan NADH-konsumtion och produktion i cytosolen under glukoneogenes [10] .
Det noterades ovan att, förutom pyruvat, kan laktat också fungera som en prekursor för glukoneogenes. Denna väg säkerställer användningen av laktat, bildat till exempel under glykolys i erytrocyter eller i muskler under anaeroba förhållanden. Denna väg är särskilt viktig för stora ryggradsdjur efter hårt fysiskt arbete. Omvandlingen av laktat till pyruvat i hepatocyternas cytosol leder till bildandet av NADH, så det finns inget behov av att exportera reducerande ekvivalenter (till exempel malat) från mitokondrier. Efter att pyruvatet som bildas i laktatdehydrogenasreaktionen har transporterats in i mitokondrierna, omvandlas det till oxaloacetat genom inverkan av pyruvatkarboxylas, som beskrivits ovan. Detta oxaloacetat omvandlas emellertid direkt till fosfoenolpyruvat av det mitokondriella isoenzymet fosfoenolpyruvatkarboxykinas, och PEP rensas från mitokondrierna till cytosolen, där ytterligare glukoneogenesreaktioner äger rum [11] .
I växter och vissa bakterier har man hittat två enzymer som kan bilda PEP direkt från pyruvat. Bland dem finns fosfoenolpyruvatsyntas av bakterien Escherichia coli . När detta enzym fungerar binder dess histidinrester en pyrofosfatgrupp som tas från ATP. Vidare hydrolyseras pyrofosfatgruppen med frisättningen av fosfat och bildandet av enzymet-His-P-föreningen. Den senare interagerar med pyruvat och bildar PEP. En liknande mekanism är inneboende i pyruvatfosfatdikinas , som först beskrevs i tropiska spannmål och spelar en viktig roll i C 4 -fotosyntes , och som också är involverad i glukoneogenesen i Acetobacter . Den enda skillnaden mellan detta enzym och fosfoenolpyruvatsyntas är att den angripande partikeln inte är vatten, utan oorganiskt fosfat [12] .
Den andra reaktionen av glykolys, som inte kan dupliceras av den omvända reaktionen i glukoneogenes, är fosforyleringen av fruktos-6-fosfat av fosfofruktokinas-1. Eftersom denna reaktion är mycket exergonisk och därför irreversibel under cellulära förhållanden, katalyseras bildningen av fruktos-6-fosfat från fruktos-1,6-bisfosfat av ett annat enzym, Mg 2+ -beroende fruktos-1,6-bisfosfatas-1 ( FBPase-1), som katalyserar den irreversibla hydrolysen av fosfat vid den första kolatomen (och inte överföringen av fosforylgruppen till ADP):
Fruktos-1,6-bisfosfat + H 2 O → fruktos-6-fosfat + Pi , ΔG' o = -16,3 kJ/mol [4] .Förutom fruktos-1,6-bisfosfatas-1 finns det fruktos-1,6-bisfosfatas-2, som utför regulatoriska funktioner [4] .
Den tredje "bypass"-reaktionen är den sista reaktionen av glukoneogenes: defosforylering av glukos-6-fosfat för att bilda glukos. Om hexokinas utförde denna omvända reaktion, skulle den åtföljas av överföringen av en fosforylgrupp från glukos-6-fosfat till ADP med bildning av ATP, vilket är energetiskt ogynnsamt. Reaktionen katalyserad av glukos-6-fosfatas involverar inte ATP-syntes och är en enkel hydrolys av en fosfatester:
Glukos-6-fosfat + H 2 O → glukos + Pi , ΔG' o = -13,8 kJ/mol [4] .Detta Mg 2+ -beroende enzym finns på den lumenala sidan av hepatocyternas endoplasmatiska retikulum, i njurceller och epitelceller i tunntarmen, men det finns inte i andra vävnader, så andra vävnader kan inte tillföra glukos till blod. Om de hade glukos-6-fosfatas, skulle det hydrolysera glukos-6-fosfat, vilket är nödvändigt för dessa vävnader för glykolys. Glukos, som bildas under glukoneogenesen i levern och njurarna eller absorberas med mat, transporteras genom blodomloppet till dessa vävnader, inklusive hjärnan och musklerna [4] .
Den övergripande ekvationen för de biosyntetiska reaktionerna av glukoneogenes som leder till bildandet av glukos från pyruvat ser ut så här:
2 Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 4H2O → glukos + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD + .För varje glukosmolekyl som bildas av pyruvat behövs 6 högenergifosfatgrupper, varav 4 kommer från ATP och 2 från GTP. Dessutom behövs 2 molekyler NADH för att reducera två molekyler av 1,3-bisfosfoglycerat. Samtidigt behövs bara 2 molekyler ATP för glykolys. Av denna anledning är syntesen av glukos från pyruvat en kostsam process. Det mesta av energin som förbrukas säkerställer irreversibiliteten av glukoneogenes. Under cellulära förhållanden är den totala förändringen i Gibbs energi under glykolys -63 kJ/mol och under glukoneogenes -16 kJ/mol. Under cellulära förhållanden är alltså både glykolys och glukoneogenes irreversibla [13] .
Den ovan beskrivna biosyntesvägen för glukosbildning avser syntesen av glukos inte bara från pyruvat, utan också från 4-, 5- och 6-kolintermediärer i trikarboxylsyracykeln. Citrat , isocitrat , α-ketoglutarat , succinyl-CoA succinat , fumarat och malat är alla mellanprodukter i citronsyracykeln som kan oxideras till oxaloacetat. Vissa eller alla kol i de flesta aminosyror kan kataboliseras till pyruvat- eller citronsyracykelintermediärer. Därför kan dessa aminosyror omvandlas till glukos och kallas glukogena . Alanin och glutamin , kritiska molekyler som bär aminogrupper till levern från andra vävnader, är särskilt viktiga glukogena aminosyror hos däggdjur. Efter att dessa aminosyror donerat sina aminogrupper i levermitokondrier är deras kolryggrad (pyruvat respektive α-ketoglutarat) involverade i glukoneogenesen [14] . Aminosyror bildas under nedbrytningen av muskel- och bindvävsproteiner , deras inkludering i glukoneogenesen sker under långvarig fasta eller långvarig fysisk aktivitet [2] .
Växter, jäst och många bakterier har en väg som gör att kolhydrater kan erhållas från fettsyror - glyoxylatcykeln . Djur har inte nyckelenzymer i denna cykel, och på grund av pyruvatdehydrogenas-reaktionens irreversibilitet kan de inte ta emot pyruvat från acetyl-CoA och bildar därför kolhydrater från fettsyror (och därmed från lipider ). Däremot kan de använda de små mängderna glycerol för glukoneogenes som bildas under nedbrytningen av fetter. I detta fall fosforyleras glycerol av glycerolkinas , följt av oxidation av den centrala kolatomen med bildandet av dihydroxiacetonfosfat , som är en mellanliggande förening av glukoneogenes [14] .
Glycerolfosfat är en nödvändig mellanprodukt i syntesen av fetter ( triglycerider ) i adipocyter , men dessa celler saknar glycerolkinas och kan därför inte fosforylera glycerol. Istället kan adipocyter utföra en förkortad version av glukoneogenes som kallas glyceroneogenes : omvandlingen av pyruvat till dihydroxiacetonfosfat genom de första reaktionerna av glukoneogenes, följt av reduktionen av dihydroxiacetonfosfat till glycerolfosfat [14] .
Om glykolys och glukoneogenes fortgick samtidigt och med hög hastighet skulle resultatet bli ATP-förbrukning och värmeproduktion . Till exempel katalyserar fosfofruktokinas-1 och fruktos-1,6-bisfosfatas-1 motsatta reaktioner:
ATP + fruktos-6-fosfat → ADP + fruktos-1,6-bisfosfat (PFK-1) Fruktos-1,6-bisfosfat + H2O → fruktos-6-fosfat + Pi ( FBPas -1).Summan av dessa två reaktioner är
ATP + H2O → ADP + Pi + värme.Dessa två enzymatiska reaktioner, såväl som ett antal andra reaktioner av dessa två vägar, regleras av allosteriska och kovalenta modifieringar. Glykolys och glukoneogenes regleras ömsesidigt, det vill säga om flödet av glukos som passerar genom glykolys ökar, minskar flödet av pyruvat som passerar genom glukoneogenes, och vice versa [5] . Till exempel är FBPase-1 starkt undertryckt av allosterisk AMP -bindning , så att när cellulära ATP-lager är låga och AMP-nivåerna är höga, avbryts ATP-beroende glukossyntes, medan PFK-1, som katalyserar motsvarande glykolysreaktion, aktiveras av AMP [15] . Även om PFK-1 aktiveras av fruktos-2,6-bisfosfat , har denna förening motsatt effekt på FBPase-1: den minskar dess affinitet för substrat och bromsar därigenom glukoneogenesen [16] .
På pyruvat-till-glukos-vägen är den första kontrollpunkten som bestämmer det framtida ödet för pyruvat i mitokondrierna om det omvandlas till acetyl-CoA av pyruvatdehydrogenaskomplexet med ytterligare inblandning i trikarboxylsyracykeln, eller till oxaloacetat av verkan av pyruvatkarboxylas för att starta glukoneogenes. . När fettsyror finns tillgängliga som energikälla producerar deras nedbrytning i mitokondrier acetyl-CoA, vilket fungerar som en signal om att det inte finns något behov av ytterligare glukosoxidation. acetyl-CoA är en positiv allosterisk modulator av pyruvatkarboxylas och en negativ modulator av pyruvatdehydrogenaskomplexet; dess verkan förmedlas genom stimulering av proteinkinas, som inaktiverar dehydrogenas. När cellens energibehov uppfylls saktar den oxidativa fosforyleringen ner, NADH-koncentrationerna ökar i förhållande till NAD + , trikarboxylsyracykeln undertrycks och acetyl-CoA ackumuleras. En ökad koncentration av acetyl-CoA undertrycker pyruvatdehydrogenaskomplexet och bromsar därigenom bildningen av acetyl-CoA från pyruvat och stimulerar glukoneogenes genom aktivering av pyruvatkarboxylas, vilket gör det möjligt att omvandla överskott av pyruvat till oxaloacetat (och därefter glukos ) 17] .
Det sålunda erhållna oxaloacetatet omvandlas till fosfoenolpyruvat genom inverkan av fosfoenolpyruvatkarboxykinas. Hos däggdjur regleras detta viktiga enzym för glukoneogenes på nivån av dess syntes och nedbrytning under påverkan av diet och hormonella signaler. Så dess promotor har 15 eller fler regulatoriska element, igenkända av minst 12 kända transkriptionsfaktorer , och, som förväntat, ännu fler som ännu inte beskrivits. Svält eller höga nivåer av glukagon ökar transkriptionen av detta enzym och stabiliserar dess mRNA . Effekten av glukagon medieras av den cykliska AMP-responselementbindande protein ( CREB ) transkriptionsfaktorn , som aktiverar syntesen av glukos-6-fosfatas och fosfoenolpyruvatkarboxylas som svar på en ökning av intracellulär cAMP -koncentration orsakad av glukagon . Insulin eller högt blodsocker har motsatt effekt. Dessa förändringar, orsakade främst av extracellulära signaler (näring, hormoner), kan vara från flera minuter till flera timmar [17] . Insulin bromsar också uttrycket av generna för glukos-6-fosfatas och fruktos-1,6-bisfosfatas. En annan transkriptionsfaktor som reglerar uttrycket av gener för glukoneogenesenzymer är FOXO1 ( forkhead box other ) . Insulin aktiverar proteinkinas B , som fosforylerar FOXO1 i cytosolen. Ubiquitin binder till fosforylerad FOXO1 , och FOXO1 bryts ned i proteasomen , men i frånvaro av fosforylering eller defosforylering kan FOXO1 komma in i kärnan , binda till motsvarande regulatoriska element på DNA och starta transkription av fosfoenolpykruvat och fosfoenolpykruvat. fosfatasgener . Fosforylering av FOXO1 av proteinkinas B hämmas av glukagon [18] .
Med en minskning av användningen av laktat som ett substrat för glukoneogenes, vilket kan orsakas av en defekt i glukoneogenesenzymer, ökar koncentrationen av laktat i blodet, vilket leder till en minskning av blodets pH och utveckling av laktacidos . Det bör noteras att kortvarig laktacidos förekommer hos friska personer med intensivt muskelarbete, i detta fall kompenseras det av hyperventilering av lungorna och påskyndat avlägsnande av koldioxid [19] .
Etanol har en betydande effekt på glukoneogenesen . Som ett resultat av dess katabolism ökar mängden NADH, vilket förskjuter balansen i laktatdehydrogenasreaktionen mot bildning av laktat, en minskning av bildningen av pyruvat och en avmattning av glukoneogenesen [19] .