Glukoneogeneza i metabolizm tłuszczów

Glukoneogeneza zachodzi przede wszystkim w wątrobie oraz w korowej warstwie nerek (ok. 1/10 produkcji wątrobowej). Glukoza jest podstawowym materiałem energetycznym mózgu (dzienne zapotrzebowanie ≈ 120 g) oraz ważnym źródłem energii dla erytrocytów. Zawartość wolnej glukozy w płynie ustrojowym wynosi około 20 g, a ilość łatwo dostępnej glukozy z glikogenu — ok. 190 g; zapasy te pokrywają zapotrzebowanie na około 1 dzień, dlatego organizm wytwarza glukozę z prekursorów nie-węglowodanowych. Glukoneogeneza nie jest prostą odwrotnością glikolizy — niektóre etapy są omijane przez specyficzne enzymy.

Prekursory niecukrowe glukozy

• mleczan,
• aminokwasy (głównie alanina),
• glicerol – wprowadzany do szlaku jako fosfodihydroksyaceton (DHAP).

Enzymy glukoneogenezy są zlokalizowane głównie w cytoplazmie, z wyjątkiem karboksylazy pirogronianowej obecnej w mitochondriach oraz glukozo-6-fosfatazy związanej z luminalną stroną błony siateczki śródplazmatycznej (ER).

Enzymy glikolizy (kluczowe)

• heksokinaza,
• fosfofruktokinaza-1 (PFK-1),
• kinaza pirogronianowa.

Enzymy glukoneogenezy

• glukozo-6-fosfataza,
• fruktozo-1,6-bisfosfataza,
• karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa (PEPCK),
• karboksylaza pirogronianowa.

Przebieg konwersji: pirogronian → szczawiooctan → fosfoenolopirogronian. Reakcja ta omija nieodwracalny etap kinazy pirogronianowej glikolizy i wymaga specyficznych enzymów.

Karboksylaza pirogronianowa ma biotynę jako grupę prostetyczną. Biotyna pełni rolę koenzymu przenoszącego CO2; ulega karboksylacji, gdy acetylo-CoA wiąże się z enzymem. Acetylo-CoA działa jako aktywator allosteryczny karboksylazy pirogronianowej.

Mechanizm (uproszczony):

1. etap I – z ATP na atom N-1 biotyny przyłączany jest CO2 i powstaje karboksybiotyna (biotyna z przyłączoną grupą karboksylową),
2. etap II – grupa karboksylowa jest przekazywana na pirogronian, tworząc szczawiooctan. Wysokie stężenie acetylo-CoA jest sygnałem, że dostępne są substraty do syntezy szczawiooctanu.

Gdy jest dużo ATP, szczawiooctan może być wykorzystywany w glukoneogenezie; przy niedoborze ATP szczawiooctan łączy się z acetylo-CoA i wchodzi do cyklu Krebsa.

Ostatni etap glukoneogenezy w świetle ER

• glukozo-6-fosforan przenoszony jest przez białko T1 do światła ER,
• ulega hydrolizie do glukozy z udziałem glukozo-6-fosfatazy,
• glukoza i Pi (fosforan nieorganiczny) są następnie przenoszone do cytoplazmy za pomocą pary białek transportujących,
• nośnik glukozy jest podobny do białek typu GLUT występujących w błonie komórkowej,
• do przekształcenia cytoplazmatycznego glukozo-6-fosforanu w wolną glukozę potrzeba kilku białek transportujących i enzymatycznych (w literaturze opisuje się kompleks białek),
• mózg i mięśnie nie zawierają glukozo-6-fosfatazy, dlatego wolna glukoza nie może być syntetyzowana w tych organach.

Regulacja

• przeciwstawna regulacja: gdy jeden szlak jest nieaktywny, drugi jest zazwyczaj aktywny,
• szybkość glikolizy zależy m.in. od stężenia glukozy i fruktozo-2,6-bisfosforanu, natomiast szybkość glukoneogenezy od stężenia mleczanu i innych prekursorów glukozy,
• stężenie fruktozo-2,6-bisfosforanu jest wysokie w stanie po posiłku (stymuluje glikolizę) i niskie podczas głodu (ułatwia glukoneogenezę).

Podczas głodowania dominuje glukoneogeneza. W sytości, po posiłku, uwalniana jest insulina — stymuluje ona aktywność oraz ekspresję enzymów glikolitycznych (np. PFK-1) oraz dwufunkcyjnego enzymu PFK-2/FBPase-2, który reguluje poziom fruktozo-2,6-bisfosforanu.