GLUKONEOGENEZA: ETAPY (REAKCJE) I REGULACJA - CHEMIA - 2025

Glukoneogenezy to proces metaboliczny, który występuje w niemal wszystkich żywych rzeczy, w tym roślin, zwierząt i różnych rodzajów mikroorganizmów. Polega na syntezie lub tworzeniu glukozy ze związków zawierających węgiel niebędących węglowodanami, takich jak aminokwasy, glukogeny, glicerol i mleczan.

Jest to jeden ze szlaków metabolizmu węglowodanów, czyli anaboliczny. Syntetyzuje lub tworzy cząsteczki glukozy obecne głównie w wątrobie oraz w mniejszym stopniu w korze nerek ludzi i zwierząt.

Metaboliczny szlak glukogenezy. Nazwy zaznaczone na niebiesko wskazują substraty szlaku, strzałki na czerwono unikalne reakcje tego szlaku, wycięte strzałki wskazują reakcje glikolizy, które są skierowane przeciwko temu szlakowi, pogrubione strzałki wskazują kierunek szlaku. BiobulletM, źródło Wikimedia Commons

Ten proces anaboliczny zachodzi zgodnie z odwrotnym kierunkiem katabolicznego szlaku glukozy, mając różne specyficzne enzymy w nieodwracalnych punktach glikolizy.

Glukoneogeneza jest ważna dla zwiększenia poziomu glukozy we krwi i tkankach w hipoglikemii. Tłumi również spadek stężenia węglowodanów podczas długotrwałych postów lub w innych niekorzystnych sytuacjach.

cechy

To proces anaboliczny

Glukoneogeneza jest jednym z anabolicznych procesów metabolizmu węglowodanów. W swoim mechanizmie glukoza jest syntetyzowana z prekursorów lub substratów złożonych z małych cząsteczek.

Glukozę można wytwarzać z prostych biocząsteczek o charakterze białkowym, takich jak aminokwasy glukogenne i glicerol, który pochodzi z lipolizy trójglicerydów w tkance tłuszczowej.

Mleczan działa również jako substrat oraz, w mniejszym stopniu, jako kwasy tłuszczowe o nieparzystych łańcuchach.

Zapewnij zapasy glukozy

Glukoneogeneza ma ogromne znaczenie dla istot żywych, a zwłaszcza dla organizmu ludzkiego. Dzieje się tak, ponieważ w szczególnych przypadkach służy ona do zaspokojenia dużego zapotrzebowania na glukozę, którego potrzebuje mózg (około 120 gramów dziennie).

Jakie części ciała wymagają glukozy? Układ nerwowy, szpik nerkowy, wśród innych tkanek i komórek, takich jak krwinki czerwone, które wykorzystują glukozę jako jedyne lub główne źródło energii i węgla.

Zapasy glukozy, takie jak glikogen zmagazynowane w wątrobie i mięśniach, wystarczają zaledwie na jeden dzień. To bez uwzględnienia diety lub intensywnych ćwiczeń. Z tego powodu poprzez glukoneogenezę organizm jest zaopatrywany w glukozę utworzoną z innych niewęglowodanowych prekursorów lub substratów.

Również ta droga bierze udział w homeostazie glukozy. Powstała w ten sposób glukoza oprócz tego, że jest źródłem energii, jest substratem dla innych reakcji anabolicznych.

Przykładem tego jest przypadek biosyntezy biocząsteczek. Należą do nich glikokoniugaty, glikolipidy, glikoproteiny i aminocukry oraz inne heteropolisacharydy.

Etapy (reakcje) glukoneogenezy

AngelHerraez, źródło Wikimedia Commons

Trasa syntetyczna

Glukoneogeneza zachodzi w cytozolu lub cytoplazmie komórek, głównie wątroby oraz w mniejszym stopniu w cytoplazmie komórek kory nerkowej.

Jej szlak syntetyczny stanowi dużą część reakcji glikolizy (szlak kataboliczny glukozy), ale w przeciwnym kierunku.

Jednak ważne jest, aby podkreślić, że 3 reakcje glikolizy, które są nieodwracalne termodynamicznie, będą katalizowane przez specyficzne enzymy glukoneogenezy inne niż te zaangażowane w glikolizę, co umożliwia reakcje w przeciwnym kierunku.

Są to w szczególności te reakcje glikolityczne katalizowane przez enzymy heksokinazę lub glukokinazę, fosfofruktokinazę i kinazę pirogronianową.

Przeglądając kluczowe etapy glukoneogenezy katalizowanej przez określone enzymy, konwersja pirogronianu do fosfoenolopirogronianu wymaga szeregu reakcji.

Pierwsza zachodzi w macierzy mitochondrialnej z konwersją pirogronianu do szczawiooctanu, katalizowaną przez karboksylazę pirogronianową.

Z kolei, aby szczawiooctan mógł uczestniczyć, musi zostać przekształcony w jabłczan przez mitochondrialną dehydrogenazę jabłczanową. Enzym ten jest transportowany przez mitochondria do cytozolu, gdzie jest przekształcany z powrotem w szczawiooctan przez dehydrogenazę jabłczanową znajdującą się w cytoplazmie komórki.

Działanie enzymu karboksykinazy fosfoenolopirogronianu

Pod wpływem enzymu karboksykinazy fosfoenolopirogronianu (PEPCK) szczawiooctan przekształca się w fosfoenolopirogronian. Poniżej podsumowano odpowiednie reakcje:

Wszystkie te zdarzenia umożliwiają transformację pirogronianu do fosfoenolopirogronianu bez interwencji kinazy pirogronianowej, która jest specyficzna dla szlaku glikolitycznego.

Jednak fosfoenolopirogronian jest przekształcany we fruktozo-1,6-bisfosforan w wyniku działania enzymów glikolitycznych, które odwracalnie katalizują te reakcje.

Działanie enzymu fruktozo-1,6-bisfosfatazy

Następną reakcją, która zapewnia działanie fosfofruktokinazy na szlaku glikolitycznym, jest ta, która przekształca fruktozo-1,6-bisfosforan w fruktozo-6-fosforan. Enzym fruktozo-1,6-bisfosfataza katalizuje tę reakcję w szlaku glukoneogennym, który jest hydrolityczny i jest podsumowany poniżej:

Jest to jeden z punktów regulacji glukoneogenezy, ponieważ enzym ten do swojej aktywności potrzebuje Mg ²⁺ . Fruktozo-6-fosforan ulega reakcji izomeryzacji katalizowanej przez enzym fosfoglikoizomerazę, który przekształca ją w glukozo-6-fosforan.

Działanie enzymu glukozo-6-fosfatazy

Wreszcie trzecią z tych reakcji jest przemiana glukozo-6-fosforanu w glukozę.

Dzieje się to poprzez działanie glukozo-6-fosfatazy, która katalizuje reakcję hydrolizy i zastępuje nieodwracalne działanie heksokinazy lub glukokinazy w szlaku glikolitycznym.

Ten enzym glukozo-6-fosfatazy jest związany z retikulum endoplazmatycznym komórek wątroby. Potrzebuje również kofaktora Mg ²⁺ do pełnienia funkcji katalitycznej.

Jego lokalizacja gwarantuje funkcjonowanie wątroby jako syntezatora glukozy dla potrzeb innych narządów.

Prekursory glukoneogenne

Kiedy w organizmie nie ma wystarczającej ilości tlenu, co może się zdarzyć w mięśniach i erytrocytach w przypadku długotrwałego wysiłku, następuje fermentacja glukozy; to znaczy, że glukoza nie jest całkowicie utleniana w warunkach beztlenowych i dlatego wytwarzany jest mleczan.

Ten sam produkt może przedostać się do krwi, a stamtąd dotrzeć do wątroby. Tam będzie działał jako substrat glukoneogenny, ponieważ po wejściu w cykl Cori mleczan zostanie przekształcony w pirogronian. Ta przemiana jest wynikiem działania enzymu dehydrogenazy mleczanowej.

Mleczan

Mleczan jest ważnym substratem glukoneogennym w ludzkim organizmie, a po wyczerpaniu zapasów glikogenu przemiana mleczanu w glukozę pomaga uzupełnić zapasy glikogenu w mięśniach i wątrobie.

Pirogronian

Z drugiej strony, poprzez reakcje składające się na tak zwany cykl glukozowo-alaninowy, zachodzi transaminacja pirogronianu.

Znajduje się on w tkankach pozawątrobowych, przekształcając pirogronian w alaninę, która stanowi kolejny z ważnych substratów glukoneogennych.

W ekstremalnych warunkach długotrwałego głodzenia lub innych zaburzeń metabolicznych katabolizm białek będzie w ostateczności źródłem aminokwasów glukogennych. Będą one tworzyć związki pośrednie cyklu Krebsa i generować szczawiooctan.

Glicerol i inne

Glicerol jest jedynym znaczącym substratem glukoneogennym pochodzącym z metabolizmu lipidów.

Uwalniany jest podczas hydrolizy triacyloglicerydów, które są magazynowane w tkance tłuszczowej. Są one przekształcane w wyniku kolejnych reakcji fosforylacji i odwodornienia do fosforanu dihydroksyacetonu, które podążają szlakiem glukoneogennym do wytworzenia glukozy.

Z drugiej strony, kilka nieparzystych kwasów tłuszczowych jest glukoneogennych.

Regulacja glukoneogenezy

Jedną z pierwszych kontroli glukoneogenezy jest spożywanie pokarmów o niskiej zawartości węglowodanów, które sprzyjają prawidłowemu poziomowi glukozy we krwi.

W przeciwieństwie do tego, jeśli spożycie węglowodanów jest niskie, szlak glukoneogenezy będzie ważny dla zaspokojenia zapotrzebowania organizmu na glukozę.

Istnieją inne czynniki zaangażowane we wzajemną regulację między glikolizą a glukoneogenezą: poziomy ATP. Kiedy są wysokie, hamowana jest glikoliza, a aktywowana jest glukoneogeneza.

Z poziomami AMP dzieje się odwrotnie: jeśli są one wysokie, aktywowana jest glikoliza, ale zahamowana jest glukoneogeneza.

Istnieją pewne punkty kontrolne w określonych reakcjach katalizowanych enzymatycznie w glukoneogenezie. Który? Stężenie enzymatycznych substratów i kofaktorów, takich jak Mg ²⁺ , oraz obecność aktywatorów, takich jak fosfofruktokinaza.

Fosofruktokinaza jest aktywowana przez AMP i wpływ hormonów trzustkowych insuliny, glukagonu, a nawet niektórych glukokortykoidów.

Bibliografia

1. Mathews, Holde i Ahern. (2002). Biochemistry (3rd ed.). Madryt: PEARSON
2. Wikibooks. (2018). Zasady biochemii / glukoneogenezy i glikogenezy. Zaczerpnięte z: en.wikibooks.org
3. Shashikant Ray. (Grudzień 2017). Regulacja, pomiary i zaburzenia glukoneogenezy. Zaczerpnięte z: researchgate.net
4. Glukoneogeneza. . Zaczerpnięte z: imed.stanford.edu
5. Wykład 3-Glikoliza i glukoneogeneza. . Zaczerpnięte z: chem.uwec.edu
6. Glukoneogeneza. . Zaczerpnięte z: chemistry.creighton.edu