Глюконеогенезата е метаболитен път, при който се образува глюкоза от невъглехидратни въглеродни субстрати, като лактат, глицерол и гликогенни аминокиселини.
Това е един от двата основни механизма, които много организми използват, за да поддържат нивата на глюкоза в кръвта в относително тесни граници и да предотвратяват хипогликемия. Друго средство за поддържане на нивата на кръвната захар е разграждането на гликоген – гликогенолиза.
Глюконеогенезата е повсеместен процес, застъпен в растения, животни, гъби, бактерии и други микроорганизми. При животни и хора, глюконеогенезата се извършва главно в черния дроб и в по-малка степен в кортекса на бъбрека. Този процес се осъществява през периоди на гладуване, нисковъглехидратни диети или след интензивна тренировка и е силно ендергоничен. Пътят, водещ от пируват до глюкозо-6-фосфат изисква 4 молекули АТФ и 2 молекули на ГТФ. Глюконеогенезата често е свързана с кетоза, поради това че по време на глад се наблюдава масивно разграждане на липиди, водещо до синтезът на кетотела. Единствените липидни съставки обаче, от които може да се синтезира глюкоза е глицеролът, в съставът на триацилглицеролите (ТАГ) и пропионил-КоА при разграждането на мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми. Основен източник за синтез на глюкоза по време на глад са гликогенните и смесени аминокиселини, получени в резултат на разграждане на белтъците в тъканите и клетките на човешкия организъм. Глюконеогенезата също е мишена при терапията на диабет тип II, поради патологичната активност на пътя при диабет, въпреки високите нива на глюкоза в кръвната плазма, влошаващо допълнително наличната хипергликемия. Клетките се „къпят“ в глюкоза, която не могат да използват, поради липсата на хормона инсулин (диабет тип I) или невъзможност на инсулина да окаже своето действие, намалена експресия на инсулиновия рецептор (диабет тип II). Например метформин, който инхибира образуването на глюкоза (понижава чернодробната глюконеогенеза) и стимулира поемането на глюкозата от клетките (чувствителността към инсулин в периферните тъкани), чрез активиране на АМФ киназата (AMPK).
Субстрати на глюконеогенезата Лактатът се транспортира обратно до черния дроб от мускулите (цикъл на Кюри), където се превръща в пируват с помощта на ензима лактат дехидрогеназа. Пируватът е първият субстрат на метаболитната пътека, който може да се използва за генериране на глюкоза.
Всички междинни метаболити от цикъла на Кребс, аминокиселини (различни от лизин или левцин) и глицерол може да функционират като субстрати за глюконеогенезата, чрез метаболизмът им до оксалацетат. Трансаминирането или дезаминирането на аминокиселините улеснява въвеждането на въглеродните им скелети в цикъла директно (както пируват или оксалацетат) или косвено чрез цикъла на лимонената киселина (α-кетоглутарат (α-КГ), сукцинил-КоА, фумарат).
Възможно ли е мастни киселини да бъдат конвертирани в глюкоза при животните е въпрос в областта на биохимията. Глицеролът, който е част от триацилгицеридите, може да бъде използван в глюконеогенезата, чрез фосфорилирането му до глицерол-3-фосфат от ензимът глицерол киназа, която липсва (не се експресира) в бяла мастна тъкан, и впоследствие дехидрогениран до дихидрокси-ацетон фосфат (ДХАФ) от глицерол-3-фосфат дехидрогенеза. Основният продукт при разграждането на мастни киселини, в пътят на β-окислението, ацетил-КоА не може да бъде използван за синтез глюкоза, поради необратимостта на Пируват дехидрогеназната реакция (ПДХК), от ацетил-КоА не може да се синтезира пируват.
Известно е, че дълговерижни мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми се окисляват до ацетил-КоА (2 С-атома) и една молекула пропионил-КоА (с 3 С-атома), прекурсор за синтезът на сукцинил-КоА (пропионил-КоА карбоксилаза, метилмалонил-КоА рацемаза, метилмалонил-КоА мутаза), който може да бъде превърнат в чрез реакциите ЦТК до оксалацетат, ФЕП и се използва в глюконеогенезата. При растения и по-специално семената, глиоксалатният цикъл може да се използва за конвертиране на мастни киселини (ацетат) в първичен източник на въглерод на организма. Глиоксалатният цикъл произвежда четири въглеродната малатна киселина (дикарбоксилна), която може да участва в глюконеогенезата.
Съществуването на глиоксалатния цикъл при хора не е установено и е широко разпространено схващането, че мастните киселини не могат да бъдат преобразувани в глюкоза в хората директно. Въглерод-14 обаче е установен в глюкоза, когато е доставен от мастни киселини.
Реакции Глюконеогенезата е път, който се състои от единадесет ензимно катализирани реакции. Може да започне в митохондриите или цитоплазмата, в зависимост от субстрата, който се използва. Много от реакциите са обратими и еднакви с тези при гликолизата, използвайки същите чернодробни ензими, катализиращи реакциите в обратна посока. Глюконеогеназа притежава 4 специфични ензими (пируват карбоксилаза, фосфоенолпируват карбоксикиназа (ФЕПКК), фруктозо-1,6-бисфосфатаза, глюкозо-6-фосфатаза), притежаващи способността да обърнат необратимите реакции на гликолазата (хексокиназна (глюкокиназна), фосфофруктокиназна, пируват киназна и пируват дехидрогеназна) и даващи възможност пътят да протече в обратна посока. Необратимите реакции на гликолизата са реакции, използващи или продуциращи АТФ, силно екзергонични реакции, като изключение прави глицерат киназната реакция, която поради малката разлика в свободната енергия на правата и обратна реакция, може да протече двупосочно, без използването на допълнителен ензим.
Глюконеогенеза започва в митохондриите с образуване на оксалацетат (ОА) чрез карбоксилиране на пируват (лигазно карбоксилиране). За тази реакция се изисква една молекула на АТФ, биотин (витамин Н) и СО2 и се катализира от ензима – пируват карбоксилаза (ПК). Този ензим се стимулира от високи нива на ацетил-CoA (получен в β-окисление в черния дроб) и инхибира от високи нива на АДТ. Пируват карбоксилазата е терамер, всяка от четирите суединици съдържа биотин (витамин H) като простетична група, необходим за активирането на СО2 и последващото карбоксилиране на субстрата. Ензимът се експресира само в митохондриите, което изисква преносът на пируват в тях. Една от анаплеротичните (попълващи) реакции на цикъла на Кребс. Клетъчната мембрана е непропусклива за оксалацета и в двете посоки. Изнася се от митохондриите чрез 3 възможни реакции Оксалацетат се редуцура до малат чрез използване на НАДН.Н+, необходима стъпка за експортирането му от митохондриите – малат дехидрогеназа (МДХ). Реакцията може да протече в митохондриите поради високата концетрация на НАДН.Н+ получен в β-окислението. Малатът се транспортира в цитоплазмата, където се окислява до оксалацетат от МДХ-ия НАД+, и където протичат останалите стъпки на глюконеогенезата. Оксалацетатът може да се пренесе в цитоплазмата използвайки реакциите на трансаминиране до амино киселината – аспартат, ензим Аспартат Амино Трансфераза (АсАТ) (наричан още Глутамат-Оксалацетат Трансаминаза (ГОТ)), който притежава специфичен преносител на вътрешната непропусклива митохондриална мембрана. Аспартът в цитоплазмата се трансаминира от цитоплазмен АсАТ, продуцирайки цитоплазмен оксалацетат. Трети начин за изнасяне на оксалацетата от митоходриите е чрез едновременното му декарбоксилиране и фосфорилиране от ГТФ до фосфоенолпируват (ФЕП), реакция катализирана от фосфоенолпируват карбоксикиназа (ФЕПКК). Една молекула на ГТФ се хидролизира до ГДФ при тази реакция. ФЕП се изнася от митохондриите в цитоплазмата чрез специфичен преносител. Оксалацетът изнесен в митохондриите, използвайки първите две реакции през малат или аспартат, се подлага на действието на цитоплазмена изоформа на ФЕПКК, катализиращ образуването на ФЕП в цитоплазмата. При човек ФЕПКК е равномерно разпределена между митохондии и цитоплазма. В някои видове ФЕПКК е цитозолен ензим, поради непропускливостта на мембраната за ОА е необходимо той да бъде пренесен в цитоплазмата чрез малат (МДХ) или аспартат (АсАТ, ГОТ). От ФЕП в цитоплазмата се получава 2-фосфоглицерат под действието на ензимът енолаза, прибавящ молекула вода. Ензимът катализира обратима реакция в гликолизата.
+Реакции в цитоплазмата, използващи обратимите реакции на гликолизатаЕнзимСпецифичен за
глюконеогенезатаФЕП ↔ 2-фосфоглицератенолазане2-фосфоглицерат ↔ 3-фосфоглицератфосфоглицератмутазане3-фосфоглицерат + АТФ ↔ 1,3-бисфосфоглицерат + АДФфосфоглицерат киназане1,3-бисфосфоглицерат + НАДН.Н+ ↔ глицералдехид-3-фоасфат + НАД+глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназанеглицералдехид-3-фоасфат ↔ ДХАФтриозо-фосфатизомеразанеглицералдехид-3-фоасфат + ДХАФ ↔ фруктозо-1,6-бисфосфаталдолаза Ане
Следващите стъпки в глюконеогенезата са същите като при гликолизата, но в обратна посока, до достигане на следващата необратима реакция в гликолизата. фруктозо-1,6-бисфосфатаза преобразува фруктозо-1,6-бисфосфат до фруктозо-6-фосфат, като се нуждае от една водна молекула и освобождава неорганиен фосфат, обръщайки фосфофруктокиназната реакция (ФФК1), ключовата реакция на гликолизата. Това е и стъпката на ограничаване на скоростта на глюконеогенезата, скорост-лимитиращата или скорост определящата реакция на глюконеогенезата), регулирана от активността на друг ензим – фосфофруктокиназа 2 (ФФК2). Глюкозо-6-фосфат се формира от фруктоза 6-фосфат от фосфохексоизомераза, катализиращ реакцията в двете посоки в зависимост от концетрацията на веществата участващи в нея. Глюкозо-6-фосфат може да се използва в други метаболитни пътища или да се дефосфорилира до глюкоза. Крайната реакция на глюконеогенезата, образуването на глюкоза, се осъществява в лумена на ендоплазмения ретикулум, където глюкозо-6-фосфата се хидролизира за да получи глюкоза от ензимът глюкозо-6-фосфатаза, четвъртият специфичен за глюконеогенезата ензим, даващ възможност на глюкозата да премине в кръчообръщението за поддържане на постоянни кръвно-захарни нива. Нефосфорилираната глюкоза може да премине през клетъчната мембрана на чернодробните клетки, през GLUT2 глюкозни транпортери, транспортиращи глюкоза по концентрационният градиент, и повиши нивата на глюкоза в кръвта.
РеакцииЕнзимиСпецифичен за
глюконеогенезатаЕкспресита се вНе се експресира вфруктозо-1,6-бисфосфат → фруктозо-6-фосфатфруктозо-1,6-бисфосфатазадачерен дроб, бъбреци и скелетни мускулисърце и гладка мускулатурафруктозо-6-фосфат ↔ глюкозо-6-фосфатфосфохексозоизомеразаневсички тъканиглюкозо-6-фосфат → глюкозаглюкозо-6-фосфатазадачерен дроб и бъбрецимускули Броят на реакциите зависи от първоначалния субстрат, използван за синтезът на глюкоза.
Енергетична равносметка За синтезът на една молекула глюкоза (хексоза, 6 С-атома) от две молекули пируват (триоза, 3 С-атома) се изразходват 6 макроергични връзки: Макроергични връзкиРеакцияСпецифичен за глюконеогенезата2 мол АТФпируват карбоксилазаПКда2 мол ГТФфосфоенолпируват карбоксикиназаФЕПККда2 мол АТФдосфоглицерат киназа(Ф)ГКне
Регулация Гликолизата и глюконеогензата споделят един и същ път, но в противоположна посока и се регулират реципрочно.
Промените в наличието на субстрати са отговорни за повечето промени в метаболизма, пряко или косвено действащи чрез промени в хормоналната секреция. Три механизма са отговорни за регулирането активността на ензимите, участващи във въглехидратния метаболизъм: (1) промяна в скоростта на синтез на ензимите, (2) ковалентна модификация чрез обратимо фосфорилиране/дефосфорилиране, и (3) алостерични ефектори.
Индукция и репресия на ключовите ензими изисква няколко часа Промените в ензимната активност в черния дроб, които настъпват при различни метаболитни условия са дадени в таблицата по-долу. Включените ензими катализират физиологично необратими неравновесни реакции. Ефектите като цяло се усилват от това, че активността на ензимите, катализиращи реакциите в обратна посока, варира реципрочно.