Gluconeogeneza este o cale metabolică care duce la formarea glucozei din compuși non-carbohidrați (în special piruvat ). Împreună cu glicogenoliza , această cale menține nivelul de glucoză din sânge necesar pentru funcționarea multor țesuturi și organe, în primul rând țesutul nervos și celulele roșii din sânge . Servește ca o sursă importantă de glucoză în condiții de cantitate insuficientă de glicogen , de exemplu, după post prelungit sau muncă fizică grea [1] [2] . Gluconeogeneza este o parte esențială a ciclului Cori.în plus, acest proces poate fi folosit pentru a transforma piruvatul format în timpul dezaminării aminoacizilor alanină și serină [3] .
Ecuația generală pentru gluconeogeneză este următoarea:
2 Piruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H + + 6 H 2 O → glucoză + 4 ADP + 2 GDP + 6 P i + 2NAD + [4] .Gluconeogeneza are loc în principal în ficat , dar se desfășoară și mai puțin intens în substanța corticală a rinichilor și a mucoasei intestinale [ 2] .
Gluconeogeneza și glicoliza sunt reglate reciproc: dacă celula este furnizată cu suficientă energie , atunci glicoliza se oprește și începe gluconeogeneza; dimpotrivă, atunci când glicoliza este activată, gluconeogeneza este suspendată [5] .
Gluconeogeneza are loc la animale , plante , ciuperci și microorganisme . Reacțiile sale sunt aceleași pentru toate țesuturile și speciile biologice . Precursori importanți ai glucozei la animale sunt compușii cu trei atomi de carbon, cum ar fi lactatul , piruvatul, glicerolul , precum și unii aminoacizi . La mamifere, gluconeogeneza are loc în principal în ficat și, într-o măsură mai mică, în cortexul renal și celulele epiteliale care căptușesc intestinul subțire . Glucoza formată în timpul gluconeogenezei intră în sânge, de unde este livrată în alte țesuturi. După o muncă fizică intensă, lactatul, format în timpul glicolizei anaerobe în mușchii scheletici , revine în ficat și este transformat acolo în glucoză, care intră din nou în mușchi sau este transformată în glicogen (acest ciclu este cunoscut sub numele de ciclul Cori ). În răsadurile de plante, grăsimile și proteinele stocate în sămânță sunt transformate, inclusiv prin gluconeogeneză, în zaharoză dizaharidă , care este transportată în întreaga plantă în curs de dezvoltare. Glucoza și derivații săi servesc ca precursori pentru sinteza peretelui celular al plantei , nucleotidele , coenzimele și mulți alți metaboliți vitali . La multe microorganisme, gluconeogeneza începe cu compuși organici simpli care conțin doi sau trei atomi de carbon , cum ar fi acetat , lactat și propionat , care se găsesc în mediul nutritiv [1] .
Deși reacțiile de gluconeogeneză sunt aceleași în toate organismele, căile metabolice adiacente și căile de reglare pentru gluconeogeneză diferă între specii și țesuturi [1] . Acest articol discută caracteristicile gluconeogenezei la mamifere; pentru mecanismele prin care plantele sintetizează glucoza din produșii primari ai fotosintezei, vezi Fotosinteza .
Gluconeogeneza și glicoliza nu sunt procese complet identice care au loc în direcții opuse, deși mai multe etape sunt comune ambelor procese: 7 din 10 reacții enzimatice de gluconeogeneză sunt inverse reacțiilor corespunzătoare de glicoliză. Cu toate acestea, 3 reacții de glicoliză sunt ireversibile in vivo și nu pot fi utilizate în gluconeogeneză: formarea glucozei-6-fosfatului din glucoză prin acțiunea enzimei hexokinazei , fosforilarea fructozei-6-fosfatului în fructoză-1,6-bisfosfatului prin fosfofructokinaza-1 (PFK-1), precum și conversia fosfoenolpiruvatului în piruvat de către piruvat kinaza . În condiții celulare , aceste reacții au o mare modificare negativă a energiei Gibbs , în timp ce alte reacții de glicoliză au ΔG în jurul valorii de 0. În gluconeogeneză, cele trei etape ireversibile ale glicolizei sunt înlocuite cu reacții „bypass” catalizate de alte enzime, iar aceste reacții sunt, de asemenea, foarte exergonic și deci ireversibil. Astfel, în celule, atât glicoliza, cât și gluconeogeneza sunt procese ireversibile. La animale, glicoliza are loc numai în citosol , la fel ca majoritatea reacțiilor de gluconeogeneză, deși unele dintre reacțiile sale apar în mitocondrii și reticulul endoplasmatic [6] . Acest lucru face posibilă reglarea lor coordonată și reciproc inversă. Mecanismele de reglare care diferă între glicoliză și gluconeogeneză acționează asupra reacțiilor enzimatice care sunt unice pentru fiecare proces [1] .
Mai jos este o diagramă a reacțiilor de gluconeogeneză:
Sunt discutate mai jos cele 3 etape ale gluconeogenezei, diferite de reacțiile de glicoliză efectuate în sens invers.
Prima reacție a gluconeogenezei este conversia piruvatului în fosfoenolpiruvat (PEP). Această reacție nu poate fi reacția inversă a piruvat kinazei a glicolizei, deoarece reacția piruvat kinazei are o schimbare negativă mare a energiei Gibbs și, prin urmare, este ireversibilă în condiții celulare. În schimb, fosforilarea piruvatului se realizează într-un mod „ocolitor”, pentru reacțiile cărora la eucariote sunt necesare atât enzime citosolice, cât și mitocondriale [8] .
Inițial, piruvatul este transferat din citosol în mitocondrii sau se formează în mitocondrii din alanină prin transaminare , în care gruparea α-amino este transferată de la alanină la acidul α-cetocarboxilic. După aceea, enzima mitocondrială piruvat carboxilază , a cărei activitate necesită coenzima biotina , transformă piruvatul în oxalacetat :
Piruvat + HCO 3 - + ATP → oxalacetat + ADP + P i [9] .Această reacție de carboxilare implică biotina ca purtător de bicarbonat activat . HCO 3 - fosforilat cu costul ATP cu formarea unei anhidride mixte (carboxifosfat). După aceea, biotina este adăugată în locul fosfatului în carboxifosfat. Mecanismul acestei reacții este prezentat în dreapta [7] .
Piruvat carboxilaza este prima enzimă reglată a gluconeogenezei, efectorul său pozitiv este acetil-CoA (acetil-CoA se formează în timpul β-oxidării acizilor grași , iar acumularea sa semnalează disponibilitatea acizilor grași ca resursă energetică ). În plus, reacția piruvat carboxilază furnizează intermediari către o altă cale metabolică centrală, ciclul acidului tricarboxilic [7] .
Deoarece nu există proteine purtătoare de oxaloacetat în membrana mitocondrială , înainte de exportul în citosol, oxaloacetatul format în timpul reacției piruvat carboxilază trebuie redus reversibil la malat de către enzima mitocondrială malat dehidrogenază cu consumul de NADH:
Oxaloacetat + NADH + H + ⇌ L-malat + NAD + .Modificarea standard a energiei Gibbs pentru această reacție este destul de mare, totuși, în condiții fiziologice (inclusiv o concentrație foarte scăzută de oxalacetat) ΔG ≈ 0, deci această reacție este reversibilă. Malat dehidrogenaza mitocondrială este implicată atât în gluconeogeneză, cât și în ciclul acidului tricarboxilic, efectuând atât reacții directe, cât și reacții inverse [10] . Oxaloacetatul poate fi, de asemenea, transferat din mitocondrii în citosol după transaminare în aspartat [6] .
Malatul părăsește mitocondriile printr-o proteină transportoare specială de pe membrana interioară mitocondrială , iar în citosol este reoxidat la oxalacetat cu formarea de NADH citosol:
Malat + NAD + → oxalacetat + NADH + H + [10] .După aceea, oxaloacetatul este transformat în fosfoenolpiruvat prin acțiunea fosfoenolpiruvat carboxikinazei . În această reacție dependentă de Mg 2+ , GTP acționează ca un donor de grupă fosforil:
Oxaloacetat + GTP ↔ Fosfoenolpiruvat + CO 2 + GDP.În condiții celulare, această reacție este reversibilă; formarea fosfoenopiruvatului este compensată prin hidroliza unui alt compus cu conținut de fosfat de mare energie, GTP [10] .
Ecuația generală pentru primele două reacții de hidroliză „bypass” este următoarea:
Piruvat + ATP + GTP + HCO 3 - → Fosfoenolpiruvat + ADP + GDP + P i + CO 2 ; ΔG' o \u003d 0,9 kJ / mol.Doi echivalenți de fosfat de înaltă energie (unul din ATP și celălalt din GTP), fiecare dintre care poate furniza 50 kJ / mol în condiții celulare, sunt utilizați pentru a fosforila o moleculă de piruvat pentru a forma fosfoenolpiruvat. Cu toate acestea, în reacția de glicoliză corespunzătoare (în timpul formării piruvatului din PEP), din ADP se formează o singură moleculă de ATP. Deși modificarea standard a energiei Gibbs ΔG' o în conversia în două etape a piruvatului în fosfoenolpiruvat este de 0,9 kJ/mol, modificarea reală a energiei Gibbs (ΔG), calculată ținând cont de concentrațiile intracelulare ale compușilor, are o valoare mare. valoare negativă (-25 kJ/mol). Motivul pentru aceasta este utilizarea rapidă a fosfoenolpiruvatului în alte reacții, astfel încât concentrația sa rămâne relativ scăzută. Din acest motiv, formarea PEP din piruvat sub acțiunea enzimelor gluconeogenetice în condiții celulare este ireversibilă [10] .
Trebuie remarcat faptul că același CO2 care este adăugat la piruvat în timpul reacției piruvat carboxilază este eliberat în timpul reacției fosfoenolpiruvat carboxikinazei. O astfel de carboxilare-decarboxilare este modalitatea de „activare” a piruvatului, adică decarboxilarea oxaloacetatului promovează formarea fosfoenolpiruvatului [10] .
Raportul [NADH]/[NAD + ] în citosol este de 8 × 10 4 , care este de aproximativ 10 5 ori mai mic decât în mitocondrii. Deoarece NADH citosolic este utilizat în gluconeogeneză (în formarea de gliceraldehidă-3-fosfat din 1,3-bisfosfoglicerat ), biosinteza glucozei nu poate avea loc dacă nu există NADH disponibil. Transportul de malat din mitocondrie la citosol și conversia acestuia în oxalacetat în citosol transportă efectiv echivalenti reducători la citosol, unde acestea sunt rare. Astfel, această cale de la piruvat la PEP asigură un echilibru important între consumul și producția de NADH în citosol în timpul gluconeogenezei [10] .
S-a remarcat mai sus că, pe lângă piruvat, lactatul poate acționa și ca un precursor pentru gluconeogeneză. Această cale asigură utilizarea lactatului, format, de exemplu, în timpul glicolizei în eritrocite sau în mușchi în condiții anaerobe. Această cale este deosebit de importantă pentru vertebratele mari după o muncă fizică grea. Conversia lactatului în piruvat în citosolul hepatocitelor duce la formarea NADH, deci nu este nevoie să exportăm echivalenți reducători (de exemplu, malat) din mitocondrii. După ce piruvatul format în reacția lactat dehidrogenazei este transportat în mitocondrii, acesta este transformat în oxaloacetat prin acțiunea piruvat carboxilază, așa cum este descris mai sus. Acest oxaloacetat, totuși, este transformat direct în fosfoenolpiruvat de către izoenzima mitocondrială fosfoenolpiruvat carboxikinaza, iar PEP este curățat din mitocondrie în citosol, unde au loc reacții ulterioare de gluconeogeneză [11] .
În plante și unele bacterii, s-au găsit două enzime care pot forma PEP direct din piruvat. Printre acestea se numără fosfoenolpiruvat sintetaza a bacteriei Escherichia coli . Când această enzimă funcționează, reziduul său de histidină leagă o grupare pirofosfat luată din ATP. În plus, gruparea pirofosfat este hidrolizată cu eliberarea de fosfat și formarea compusului enzimei-His-P. Acesta din urmă interacționează cu piruvatul, formând PEP. Un mecanism similar este inerent în piruvat fosfat dikinaza , care a fost descrisă pentru prima dată în cerealele tropicale și joacă un rol important în fotosinteza C 4 și este, de asemenea, implicată în gluconeogeneza în Acetobacter . Singura diferență dintre această enzimă și fosfoenolpiruvat sintetaza este că particula atacatoare nu este apa, ci fosfatul anorganic [12] .
A doua reacție de glicoliză, care nu poate fi duplicată prin reacția inversă în gluconeogeneză, este fosforilarea fructozei-6-fosfatului de către fosfofructokinaza-1. Deoarece această reacție este extrem de exergonică și, prin urmare, ireversibilă în condiții celulare, formarea de fructoză-6-fosfat din fructoză-1,6-bifosfat este catalizată de o altă enzimă, fructoză-1,6-bisfosfatază-1 dependentă de Mg 2+ ( FBPază-1), care catalizează hidroliza ireversibilă a fosfatului la primul atom de carbon (și nu transferul grupării fosforil la ADP):
Fructoză-1,6-bifosfat + H 2 O → fructoză-6 - fosfat + Pi , ΔG' o = −16,3 kJ/mol [4] .Pe lângă fructoza-1,6-bisfosfataza-1, există fructoza-1,6-bisfosfataza-2, care îndeplinește funcții de reglare [4] .
A treia reacție de „bypass” este ultima reacție a gluconeogenezei: defosforilarea glucozei-6-fosfatului pentru a forma glucoză. Dacă hexokinaza a efectuat această reacție inversă, atunci aceasta ar fi însoțită de transferul unei grupări fosforil de la glucoză-6-fosfat la ADP cu formarea de ATP, care este nefavorabil energetic. Reacția catalizată de glucoză-6-fosfatază nu implică sinteza ATP și este o simplă hidroliză a unui ester fosfat:
Glucoză-6-fosfat + H 2 O → glucoză + Pi , ΔG' o = −13,8 kJ/mol [4] .Această enzimă dependentă de Mg 2+ se găsește pe partea lumenală a reticulului endoplasmatic al hepatocitelor, în celulele renale și celulele epiteliale ale intestinului subțire, dar nu se găsește în alte țesuturi, astfel încât alte țesuturi nu sunt capabile să furnizeze glucoză către sânge. Dacă ar avea glucoză-6-fosfatază, atunci ar hidroliza glucoza-6-fosfat, care este necesar pentru aceste țesuturi pentru glicoliză. Glucoza, formată în timpul gluconeogenezei în ficat și rinichi sau absorbită cu alimente, este transportată prin fluxul sanguin către aceste țesuturi, inclusiv creier și mușchi [4] .
Ecuația generală pentru reacțiile biosintetice ale gluconeogenezei care conduc la formarea glucozei din piruvat arată astfel:
2 Piruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H + + 4H 2 O → glucoză + 4ADP + 2GDP + 6P i + 2NAD + .Pentru fiecare moleculă de glucoză formată din piruvat, sunt necesare 6 grupe fosfat de înaltă energie, dintre care 4 provin din ATP și 2 din GTP. În plus, sunt necesare 2 molecule de NADH pentru a reduce două molecule de 1,3-bisfosfoglicerat. În același timp, pentru glicoliză sunt necesare doar 2 molecule de ATP. Din acest motiv, sinteza glucozei din piruvat este un proces costisitor. Cea mai mare parte a energiei cheltuite asigură ireversibilitatea gluconeogenezei. În condiții celulare, modificarea totală a energiei Gibbs în timpul glicolizei este -63 kJ/mol, iar în timpul gluconeogenezei, -16 kJ/mol. Astfel, în condiții celulare, atât glicoliza, cât și gluconeogeneza sunt ireversibile [13] .
Calea biosintetică de formare a glucozei descrisă mai sus se referă la sinteza glucozei nu numai din piruvat, ci și din intermediarii cu 4, 5 și 6 atomi de carbon ai ciclului acidului tricarboxilic. Citratul , izocitratul , α-cetoglutaratul , succinil-CoA succinatul , fumaratul și malatul sunt toți intermediari în ciclul acidului citric care pot fi oxidați în oxalacetat. Unii sau toți atomii de carbon ai majorității aminoacizilor pot fi catabolizați la piruvat sau intermediari ai ciclului acidului citric. Prin urmare, acești aminoacizi pot fi transformați în glucoză și sunt numiți glucogenici . Alanina și glutamina , molecule critice care transportă grupe amino la ficat din alte țesuturi, sunt aminoacizi glucogenici deosebit de importanți la mamifere. După ce acești aminoacizi își donează grupările amino în mitocondriile hepatice, vertebratele lor de carbon (piruvat și, respectiv, α-cetoglutarat) sunt implicate în gluconeogeneză [14] . Aminoacizii se formează în timpul descompunerii proteinelor musculare și ale țesutului conjunctiv , includerea lor în gluconeogeneză are loc în timpul postului prelungit sau al activității fizice prelungite [2] .
Plantele, drojdia și multe bacterii au o cale care permite obținerea carbohidraților din acizi grași - ciclul glioxilaților . Animalele nu au enzime cheie ale acestui ciclu și, datorită ireversibilității reacției piruvat dehidrogenazei , nu pot primi piruvat din acetil-CoA și, prin urmare, formează carbohidrați din acizi grași (și, prin urmare, din lipide ). Cu toate acestea, ei pot folosi pentru gluconeogeneză acele cantități mici de glicerol, care se formează în timpul descompunerii grăsimilor. În acest caz, glicerolul este fosforilat de glicerol kinaza , urmată de oxidarea atomului de carbon central cu formarea de dihidroxiacetonă fosfat , care este un compus intermediar al gluconeogenezei [14] .
Fosfatul de glicerol este un intermediar necesar în sinteza grăsimilor ( trigliceridelor ) în adipocite , cu toate acestea, aceste celule nu au glicerol kinaza și, prin urmare, nu pot fosforila glicerolul. În schimb, adipocitele pot efectua o versiune scurtată a gluconeogenezei cunoscută sub numele de gliceroneogeneză : conversia piruvatului în dihidroxiacetonă fosfat prin primele reacții de gluconeogeneză, urmată de reducerea dihidroxiacetonei fosfat la glicerol fosfat [14] .
Dacă glicoliza și gluconeogeneza au decurs simultan și cu viteză mare, rezultatul ar fi consumul de ATP și producerea de căldură . De exemplu, fosfofructokinaza-1 și fructoza-1,6-bisfosfataza-1 catalizează reacții opuse:
ATP + fructoză-6-fosfat → ADP + fructoză-1,6-bifosfat (PFK-1) Fructoză-1,6-bifosfat + H 2 O → fructoză-6-fosfat + Pi ( FBPaza -1).Suma acestor două reacții este
ATP + H 2 O → ADP + P i + căldură.Aceste două reacții enzimatice, precum și o serie de alte reacții ale acestor două căi, sunt reglementate de modificări alosterice și covalente . Glicoliza și gluconeogeneza sunt reglate reciproc, adică dacă fluxul de glucoză care trece prin glicoliză crește, atunci fluxul de piruvat care trece prin gluconeogeneză scade și invers [5] . De exemplu, FBPaza-1 este puternic suprimată de legarea AMP alosterică , astfel încât atunci când depozitele celulare de ATP sunt scăzute și nivelurile de AMP sunt ridicate, sinteza glucozei dependentă de ATP este suspendată, în timp ce PFK-1, care catalizează reacția de glicoliză corespunzătoare, este activată. de AMP [15] . Deși PFK-1 este activat de fructoză-2,6-bisfosfat , acest compus are efectul opus asupra FBPase-1: își reduce afinitatea pentru substraturi și, prin urmare, încetinește gluconeogeneza [16] .
Pe calea piruvat-la-glucoză, primul punct de control care determină soarta viitoare a piruvatului în mitocondrii este dacă acesta este convertit în acetil-CoA de către complexul piruvat dehidrogenază cu implicare suplimentară în ciclul acidului tricarboxilic sau în oxaloacetat de către acțiunea piruvat carboxilazei pentru a începe gluconeogeneza. Atunci când acizii grași sunt disponibili ca sursă de energie, degradarea lor în mitocondrii produce acetil-CoA, care acționează ca un semnal că nu este nevoie de o oxidare suplimentară a glucozei. acetil-CoA este un modulator alosteric pozitiv al piruvat carboxilazei și un modulator negativ al complexului piruvat dehidrogenază; acțiunea sa este mediată de stimularea proteinei kinazei, care inactivează dehidrogenaza. Când cerințele de energie ale celulei sunt îndeplinite, fosforilarea oxidativă încetinește, concentrațiile de NADH cresc în raport cu NAD + , ciclul acidului tricarboxilic este suprimat și se acumulează acetil-CoA. O concentrație crescută de acetil-CoA suprimă complexul de piruvat dehidrogenază, încetinind astfel formarea acetil-CoA din piruvat și stimulând gluconeogeneza prin activarea piruvat carboxilazei, ceea ce face posibilă transformarea excesului de piruvat în oxalacetat (și ulterior glucoză) . 17] .
Oxalacetatul astfel obținut este transformat în fosfoenolpiruvat prin acțiunea fosfoenolpiruvat carboxikinazei. La mamifere, această enzimă esențială a gluconeogenezei este reglată la nivelul sintezei și descompunerii sale sub influența dietei și a semnalelor hormonale . Deci, promotorul său are 15 sau mai multe elemente de reglare, recunoscute de cel puțin 12 factori de transcripție cunoscuți și, așa cum era de așteptat, chiar mai multe nedescrise încă. Înfometarea sau nivelurile ridicate de glucagon măresc transcripția acestei enzime și stabilizează ARNm -ul acesteia . Acțiunea glucagonului este mediată de factorul de transcripție CREB ( proteina de legare a elementului de răspuns ciclic AMP ) , care activează sinteza glucozo-6-fosfatazei și fosfoenolpiruvat carboxilază ca răspuns la o creștere a concentrației de cAMP intracelular cauzată de glucagon . Insulina sau glicemia crescută au efectul opus. Aceste modificări, cauzate în principal de semnale extracelulare (nutriție, hormoni), pot dura de la câteva minute până la câteva ore [17] . Insulina încetinește, de asemenea, expresia genelor pentru glucozo-6-fosfatază și fructoză-1,6-bisfosfatază. Un alt factor de transcripție care reglează expresia genelor pentru enzimele de gluconeogeneză este FOXO1 ( forkhead box other ) . Insulina activează protein kinaza B , care fosforilează FOXO1 în citosol. Ubiquitina se leagă de FOXO1 fosforilat , iar FOXO1 este degradat în proteazom , cu toate acestea, în absența fosforilării sau defosforilării, FOXO1 poate intra în nucleu , se poate lega de elementul de reglare corespunzător de pe ADN și poate începe transcrierea fosfoenolpiruvat carboxi-kinazei și a fosforilării. genele fosfatazei . Fosforilarea FOXO1 de către protein kinaza B este inhibată de glucagon [18] .
Odată cu o scădere a utilizării lactatului ca substrat pentru gluconeogeneză, care poate fi cauzată de un defect al enzimelor de gluconeogeneză, crește concentrația de lactat în sânge, ceea ce duce la o scădere a pH -ului sângelui și la dezvoltarea acidozei lactice . De remarcat că acidoza lactică de scurtă durată apare la persoanele sănătoase cu muncă musculară intensă, în acest caz este compensată prin hiperventilarea plămânilor și eliminarea accelerată a dioxidului de carbon [19] .
Etanolul are un efect semnificativ asupra gluconeogenezei . Ca urmare a catabolismului său , cantitatea de NADH crește, ceea ce schimbă echilibrul în reacția lactat dehidrogenazei către formarea lactatului, o scădere a formării piruvatului și o încetinire a gluconeogenezei [19] .