Glukoneogeneze
Glukoneogeneze
Význam glukoneogeneze pro buňku
Pokud není zajištěn přísun potřebného množství sacharidů z potravy, udržuje se po určitou dobu glykémie odbouráváním jaterního glykogenu. Při poklesu glykogenu v játrech pod určitou mez aktivuje tělo proces novotvorby glukózy procesem glukoneogeneze. Tento proces probíhá především v játrech, vysokou glukoneogenezovou aktivitu mají ale i buňky ledvinných tubulů.
Glukoneogeneze tedy zajišťuje pro buňky potřebnou glukózu i v situaci, kdy není potravou zajištěna dostatečná dodávka sacharidů. Znamená to, že buňka má k dispozici metabolické dráhy, při nichž si dokáže glukózu (a také zásobní glykogen) vyrobit i z necukerných sloučenin. Hlavními substráty pro glukoneogenezi jsou glukogenní aminokyseliny, laktát a glycerol z tuků. Vybrané aminokyseliny se buď přímo přeměňují na pyruvát, nebo z nich vzniká v citrátovém cyklu oxalacetát. Specifický význam má aminokyselina alanin. U některých savců (přežvýkavci) je významným substrátem pro tvorbu glukózy propionát. Naproti tomu přeměna mastných kyselin na glukózu není u živočichů možná.
Glukoneogeneze má pro organismus zcela zásadní význam. Hladina glukózy musí být udržována v poměrně úzkém rozmezí a pokles pod určitou koncentraci může mít až fatální důsledky (vážné poruchy mozkové činnosti, které mohou vyústit v kóma a případně i smrt). Glukóza je nezbytná pro funkci celého nervového systému a je prakticky jediným zdrojem energie pro erytrocyty (přesněji glykolytická dráha). Je také jediným zdrojem energie pro kosterní svalstvo za nedostatku kyslíku. Z glukózy tvoří buňka potřebný glycerol pro syntézu tuků a také některé z metabolitů citrátového cyklu.
Glukoneogenezí se odstraňují některé látky, které vznikají při biochemických procesech v jiných tkáních. Příkladem je již zmíněný laktát produkovaný erytrocyty a kosterním svalstvem při omezené dodávce kyslíku. Další takovou látkou je glycerol, který zase vzniká v tukové tkáni v okamžicích rozkladu tuků.
Historie objevování procesu glukoneogeneze
Historie objevování metabolické dráhy směřující k tvorbě glykogenu z laktátu je spojena s pracemi Otto Warburga, Gustava Embdena, Otto Meyerhofa a zejména Gerti a Carl Coriových. Podstata objevu tohoto sledu reakcí spočívala především v objasnění mechanismu znovutvorby fosfoenolpyruvátu a také glukóza-1-fosfátu z fruktóza-1,6-bisfosfátu.
V roce 1963 formuloval H. Krebs předpoklad, že 4 energetické bariéry tvořící překážku pro prostý obrat glykolýzy mezi pyruvátem a fosfoenolpyruvátem, mezi fruktóza-1,6-bisfosfátem a fruktóza-6-fosfátem, mezi glukóza-6-fosfátem a glukózou a mezi glukózou-1-fosfátem a glykogenem musí být překonány speciálními reakcemi. V roce 1965 H. Lardy se spolupracovníky učinili závažný objev týkající se mechanismu přenosu oxalacetátu z mitochondrií (nemůže volně difundovat ven). Ukázali však, že existují alternativní způsoby, jak dosáhnout potřebného cíle. Dokázali, že se oxalacetát může přeměňovat na jiné sloučeniny, které již z mitochondrií mohou difundovat, a které mohou být opět v cytosolu přeměněny na oxalacetát. Touto sloučeninou je malát. Později byly také navrženy i alternativní dráhy, a to prostřednictvím aspartátu, oxoglutarátu, glutamátu a citrátu.
Glukoneogeneze je obráceným procesem glykolýzy
Glukoneogeneze je vlastně obráceným procesem glykolýzy. V glykolýze jsou však 3 reakce za fyziologických podmínek nevratné a proto musí buňka uplatnit alternativní způsoby, jak tuto energetickou bariéru obejít.
První z těchto tří klíčových reakcí je přeměna pyruvátu na fosfoenolpyruvát (PEP), druhou reakcí přeměna fruktóza-1,6-bisfosfátu na fruktóza-6-fosfát a třetí reakcí je přeměna glukóza-6-fosfátu na glukózu. Protože hlavním výchozím substrátem pro proces glukoneogeneze je laktát, je tedy třeba zahrnout i reakci přeměny laktátu na pyruvát. Na následujícím schématu je ve zjednodušené formě znázorněn průběh glukoneogeneze, podrobně jsou jednotlivé reakční kroky vysvětleny dále v textu. Z důvodů větší přehlednosti je šipkami znázorněn pouze směr reakcí směřujících k tvorbě glukózy, i když většina reakcí je vratných. Hlavní substráty glukoneogeneze jsou vyznačeny červeně. Enzymy katalyzující jednotlivé reakce jsou označeny čísly na šipkách a popsány u jednotlivých reakčních kroků.
Zatímco glykolýza probíhá výlučně v cytoplazmě buňky, na procesu glukoneogeneze se podílí i enzymy lokalizované v mitochondriích a v endoplazmatickém retikulu. Většina z dílčích reakčních kroků glukoneogeneze je katalyzována stejnými enzymy, které se uplatňují v procesu glykolýzy. Proto se ve schématu dodržuje stejné číslování enzymů, jako je použito v článku o glykolýze. Enzymy specifické pouze pro glukoneogenezi se syntetizují ve chvíli, kdy jsou potřeba. Jedná se tedy o inducibilní enzymy. Jejich syntézu aktivují například glukagon, nebo kortisol.
Při rozkladu glukózy cestou glykolýzy získá buňka energii odpovídající 2 makroergickým vazbám. Na opětovnou syntézu glukózy cestou glukoneogeneze však buňka potřebuje energii odpovídající 6 makroergickým vazbám (4 ATP + 2 GTP). Je třeba si uvědomit, že na získání molekuly glukózy musí dojít ke kondenzaci dvou trióz (GAP + DHAP), a proto je počet dvojnásobný, než je uvedeno ve schématu.
Pyruvát nelze z energetických důvodů přímo fosforylovat na fosfoenolpyruvát - krok 1
První reakcí obcházející energetickou bariéru je vytvoření fosfoenolpyruvátu z pyruvátu. K tomu je nejprve potřeba pyruvát transportovat do mitochondrií, kde je umístěn enzym pyruvátkarboxyláza (12), který za účasti biotinu (funguje jako koenzym) přeměňuje pyruvát na oxalacetát. Funkcí biotinu je vázat oxid uhličitý získaný z hydrogenkarbonátu na enzym ještě před tím, než se do aktivního centra naváže pyruvát. Tato reakce vyžaduje dodávku energie a tu poskytuje ATP. Reakci dokončuje navazující enzym fosfoenolpyruvátkarboxykináza (13, v cytosolu), který přeměňuje oxalacetát na fosfoenolpyruvát. K reakci je potřeba makroergický fosfát a ten poskytuje GT P nebo ITP, nikoliv ATP. Současně dochází i k uvolnění oxidu uhličitého. Pokud se do tohoto procesu zapojí ještě laktátdehydrogenáza (11), lze takto vytvořit fosfoenolpyruvát i z laktátu.
Důvodem této okliky je skutečnost, že pyruvátkinázová reakce je silně exergonní a hydrolýza ATP by nestačila k tomu, aby se pyruvát přímo fosforyloval na fosfoenolpyruvát. Proto se reakce rozloží do dvou dílčích kroků, v každém z nich se spotřebuje jedna makroergická vazba. Taková dodávka energie již stačí k tomu, aby se fosfoenolpyruvát z pyruvátu vytvořil. První krok reakce probíhá v matrix mitochondrií, proto se pyruvát musí nejprve specifickým monokarboxylátovým transportérem přenést do mitochondrie, kde se pak účinkem pyruvátkarboxylázy přeměňuje na oxalacetát. Aby mohl proběhnout i druhý krok reakce, musí se oxalacetát exportovat z mitochondrií do cytosolu, protože enzym katalyzující tuto reakci se pro změnu nachází v cytosolu buňky. Přenos oxalacetátu z mitochondrie do cytosolu se uskutečňuje pomocí malátového člunku.
Hydratací enolu se snižuje potenciál fosfátové skupiny - krok 2
Fosfátová skupina ve fosfoenolpyruvátu má sice vyšší tendenci k přenosu na ADP, ale za fyziologických podmínek je změna volné energie této reakce poměrně nízká a tak je směr reakce hodně závislý na aktuálních koncentračních poměrech. Pokud je na tom energeticky buňka „dobře“ a má vysokou zásobu ATP (tedy je malá nabídka ADP), reakce směrem k pyruvátu se zastavuje a naopak se reakční rovnováha posouvá ve prospěch tvorby 2-fosfoglycerátu.
Reakce je vratná a katalyzuje ji enzym enoláza (9) nacházející se v cytoplazmě buňky. Tento enzym je společný jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi.
Přesmyk fosfátové skupiny - krok 3
Rovnováha této reakce za standardních i fyziologických podmínek je posunuta ve prospěch 3-fosfoglycerátu. Jinými slovy řečeno, tento reakční krok je jakousi malou „brzdou“ procesu glykolýzy a spíše nahrává procesu glukoneogeneze. Změna v umístění fosfátové skupiny na druhý uhlík (reakce probíhá zprava doleva) se odehrává jen za podmínek, kdy buňka vyžaduje dodávku energie ve formě ATP a probíhá přenos fosfátové skupiny z fosfoenolpyruvátu na vznikající ADP (je stimulována glykolýza a buňka ihned spotřebovává vytvářené ATP).
Reakce je vratná a katalyzuje ji enzym fosfoglyceromutáza (8) nacházející se v cytoplazmě buňky. Tento enzym je společný jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi. Enzym za fyziologických podmínek (blížících se nasycení buňky ATP) udržuje rovnováhu mezi 2-fosfoglycerátem (méně než 10 %), meziproduktem reakce 2,3-bisfosfoglycerátem (méně než 30 %) a 3-fosfoglycerátem (více než 60 %).
Tvorba 1-3-bisfosfoglycerátu - krok 4
Standardní Gibbsova energie pro přeměnu 3-fosfoglycerátu na 1,3-bisfosfoglycerát je 18,5 kJ/mol. Tímto směrem tedy reakce za standardních podmínek prakticky neprobíhá. Za fyziologických podmínek má však Gibbsova energie pro tuto reakci mírně zápornou hodnotu (-1,3 kJ/mol) a tedy spontánně probíhá, její rychlost však není příliš vysoká. Určující roli má opět koncentrace ATP v buňce. Má-li buňka dostatek ATP, pak se 1,3-bisfosfoglycerát tvoří.
Reakce je vratná a katalyzuje ji enzym fosfoglycerátkináza (7) nacházející se v cytoplazmě buňky. Tento enzym je společný jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi. Při reakci se spotřebovává ATP a vzniká ADP, které pak stimuluje přeměnu fosfoenolpyruvátu na pyruvát. To v důsledku vede k omezení tvorby 1,3-bisfosfoglycerátu. I na tomto reakčním kroku je názorně patrné, jak velký význam v buňce má poměr ATP : ADP a jak významně jakákoliv změna tohoto poměru zasahuje do průběhu celého komplexu reakcí.
Produkce glyceraldehydfosfátu je ovlivňována koncentrací laktátu - krok 5
Tato reakce vyžaduje přísun redukčních ekvivalentů, tedy dostatek NADH + H+. Za fyziologických podmínek je hodnota Gibbsovy energie pro přeměnu 1,3-bisfosfoglycerátu na glyceraldehydfosfát (GAP) kladná (1,8 kJ/mol) a tak by reakce uvedeným směrem normálně neprobíhala. Ovšem při nadprodukci laktátu (například po intenzívní svalové práci) se nadbytečný laktát přeměňuje na pyruvát a přitom vzniká i NADH + H+. Část vzniklého pyruvátu vstupuje do citrátového cyklu za účelem vytvoření redukčních ekvivalentů pro dýchací řetězec a tím i pro doplnění spotřebovaného ATP při prováděné práci. Podobně se v dýchacím řetězci využívá i produkovaný NADH + H+. Avšak po doplnění ATP (tedy po spotřebování ADP) není kam získávanou energii ukládat a právě v tomto okamžiku začne narůstající koncentrace NADH + H+ posouvat směr reakce od 1,3-bisfosfoglycerátu na glyceraldehydfosfát.
Z pohledu glukoneogeneze není tato reakce nijak výjimečná a obvykle se jí ani při přednáškách v biochemii nevěnuje větší pozornost. Z pohledu současného životního stylu v moderním světě má však právě tato reakce obrovský význam. Jak vyplyne z následujícího textu, má právě tato reakce na svědomí ukládání tuků v namáhaných partiích těla v případech, kdy následující přijímaná potrava obsahuje více energie (a také tuky), než by odpovídalo předešlému výdeji.
Reakce je vratná a katalyzuje ji enzym glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza (6) nacházející se v cytoplazmě buňky. Tento enzym je společný jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi.
Glyceraldehydfosfát je spojnicí - krok 6 a 7
Vytvoření glyceraldehyd-3-fosfátu a jeho izomerace na dihydroxyacetonfosfát (glyceron-3-fosfát) je místem, kde dochází k rozbočení dalších syntetických pochodů. Podle potřeby může buňka vytvářet glukózu (nebo glykogen), nebo může dojít k syntéze glycerolu potřebného pro tvorbu tuků. Také může glycerol využít pro syntézu glukózy a glykogenu, což ji právě umožňuje vzájemná přeměna DHAP na GAP. Za rovnovážných podmínek je reakce výrazně posunuta ve prospěch tvorby fruktóza-1,6-bisfosfátu, za fyziologických koncentračních poměrů je reakce mírně posunuta ve prospěch DHAP a GAP. Ovšem při výraznější nabídce GAP nebo DHAP se samozřejmě z koncentračních důvodů směr reakce obrátí ve prospěch tvorby fruktóza-1,6-bisfosfátu.
Reakce izomerace je vratná a katalyzuje ji enzym triosafosfátizomeráza (5). Kondenzační reakci za vzniku fruktóza-1,6-bisfosfátu katalyzuje enzym fruktosa-1,6-bisfosfátaldoláza (4). Oba enzymy se nachází v cytoplazmě buňky a také jsou společné jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi.
Fruktóza-1,6-bisfosfatáza je klíčovým enzymem glukoneogeneze - krok 8
Druhou reakcí, kdy je nutné překonat energetickou bariéru, je přeměna fruktóza-1,6-bisfosfátu na fruktóza-6-fosfát katalyzovaná specifickým enzymem fruktóza-1,6-bisfosfatázou (14). Tento enzym je klíčový, protože jeho přítomnost nebo nepřítomnost v dané tkáni určuje, zda zde bude nebo nebude glykogen resyntetizován. Enzym je lokalizován především v ledvinách a v játrech, v menším množství i v příčně pruhovaném svalstvu. Zřejmě není přítomen v srdečním a v hladkém svalu.
Enzym je alostericky inhibován fruktóza-2,6-bisfosfátem (Fru-2,6-P2), jehož tvorbu stimuluje inzulín a inhibuje glukagon. Fruktóza-2,6-bisfosfát hraje v metabolismu sacharidů důležitou roli. Vzniká v malém množství fosforylací fruktóza-6-fosfátu v jaterních buňkách a plní čistě regulační funkci. Fruktóza-2,6-bisfosfát stimuluje glykolýzu aktivací fosfofruktokinázy (3) a potlačuje glukoneogenezi inhibicí fruktóza-1,6-bisfosfatázy (14).
Zajímavostí je, že fruktóza-2,6-bisfosfát tvoří a současně i odbourává jeden a tentýž protein. Pokud se mluví o tvorbě fruktóza-2,6-bisfosfátu, označuje se tento enzym jako fruktóza-6-fosfát-2-kináza (19, označovaná také jako fosfofruktokináza 2, PFK-2). Pokud se mluví o odbourávání fruktóza-2,6-bisfofátu, označuje se enzym jako fruktóza-2,6-bisfosfatáza (19P). Tento bifunkční enzym je allostericky řízen fruktóza-6-fosfátem, tedy se jedná o zpětnovazebnou regulaci vlastním substrátem (nebo produktem reakce, záleží na úhlu pohledu).
To, jak se bude tento bifunkční enzym chovat, závisí na stupni fosforylace molekuly enzymu. Pokud je molekula enzymu fosforylována (donorem fosfátu je ATP), pak se enzym chová jako fosfatáza. Dojde-li k odštěpení fosfátové skupiny z molekuly enzymu, pak se enzym chová jako kináza. Fosforylaci molekuly bifunkčního enzymu katalyzuje proteinkináza A (18, je aktivována narůstající koncentrací cAMP), defosforylaci katalyzuje proteinfosfatáza (17).
Při nadbytku glukózy se zvyšuje koncentrace fruktóza-6-fosfátu, který stimuluje kinázovou aktivitu tohoto bifunkčního enzymu a zvyšuje se produkce fruktóza-2,6-bisfosfátu. Současně se potlačuje fosfatázová aktivita enzymu. Výsledkem je stimulace procesu glykolýzy a potlačení procesu glukoneogeneze (fruktóza-2,6-bisfosfát aktivuje enzym fosfofruktokinázu a současně inhibuje enzym fruktóza-1,6-bisfosfatázu).
Naopak při nedostatku glukózy stimuluje hormon glukagon tvorbu cAMP, současně stimuluje aktivitu proteinkinázy A, která aktivuje fosfatázovou a inhibuje kinázovou aktivitu bifunkčního enzymu.
Izomerace fruktóza-6-fosfátu - krok 9
Opět se jedná o reakci, kdy za obvyklých podmínek probíhá reakce zprava doleva. Ovšem při zpomalení procesu glykolýzy a nárůstu koncentrace fruktóza-6-fosfátu se průběh reakce obrátí.
Reakce je vratná a katalyzuje ji enzym fosfohexosaizomeráza (2) nacházející se v cytoplazmě buňky. Tento enzym je společný jak pro proces glykolýzy, tak i pro glukoneogenezi.
Glukóza-6-fosfatáza je především jaterní enzym - krok 10
Třetí reakcí, kdy je nutné překonat energetickou bariéru, je přeměna glukóza-6-fosfátu na glukózu. Reakci katalyzuje glukóza-6-fosfatáza a tato reakce má především za úkol dodávat glukózu do krve. Enzym je lokalizován v ledvinách a játrech, není přítomen ve svalech a v tukové tkáni.
Glukóza-6-fosfatáza je enzym lokalizovaný v membráně hladkého endoplazmatického retikula, a to z vnitřní strany. Protože přeměna fruktóza-6-fosfátu na glukóza-6-fosfát probíhá v cytoplazmě, je nutno glukóza-6-fosfát nejprve přenést do hladkého ER. To se děje prostřednictvím specifického transportéru, který současně přenáší vytvořenou glukózu do cytoplazmy. Z cytoplazmy je pak glukóza přenášena dalším glukózovým transportérem (Glut-2) lokalizovaným v buněčné stěně do krve. Proces probíhá mechanismem facilitované difuze, tedy v důsledku koncentračního rozdílu mezi vnitřkem a vnějškem buňky.
Transportér glukózy je vlastně skupina příbuzných proteinů, jejichž úkolem je přenést glukózu přes buněčnou membránu. Liší se substrátovou specifitou a také kinetickými vlastnostmi. Právě tyto dvě kritéria současně určují, který z těchto transportérů je v tom kterém orgánu lokalizovaný. Odborná literatura popisuje celkem 13 izoforem. Nejvyšší afinitu ke glukóze vykazují Glut-1 a Glut-2. Glut-1 se vyskytuje v plazmatické membráně prakticky všech buněk a zajišťuje bazální zásobování glukózou. Nejvíce je prostudován u erytrocytů. Glut-2 zodpovídá za transport glukózy v játrech a ve slinivce. Je přítomen také v ledvinách a v buňkách střevního epithelu. Glut-3 zásobuje glukózou neurony. Glut-4 se vyskytuje ve svalových a tukových buňkách, jeho činnost je ovlivňována inzulínem a zajímavé je, že v případě potřeby dokáže inzulín během několika minut zvýšit v membráně počet molekul tohoto transportéru 20 až 30x (inzulín zrychluje spojení váčků uvolněných z Golgiho aparátu a obsahujících Glut-4 s plazmatickou membránou). Zajímavý je ještě Glut-5, který nepřenáší glukózu, ale fruktózu. Význam ostatních izoforem není doposud uspokojivě popsán.
Regulace glukoneogeneze probíhá indukcí a represí klíčových enzymů
Enzymy glykolýzy a lipogeneze se aktivují v okamžiku nadměrné nabídky glukózy. Ve stejné situaci naopak enzymy glukoneogeneze mají velmi nízkou aktivitu. Pro buňku je nesmírně důležité, že klíčové enzymy účastnící se některé metabolické dráhy jsou všechny aktivovány a inhibovány koordinovaným způsobem. Při zvýšeném příjmu glukózy tak pyruvátkarboxyláza, fosfoenolpyruvátkarboxykináza, fruktóza-1,6-bisfosfatáza a glukóza-6-fosfatáza snižují aktivitu, naopak při hladovění jejich aktivita stoupá. Produkci těchto enzymů indukují glukokortikoidy, adrenalin (prostřednictvím cAMP) a glukagon, naopak inzulín jejich produkci omezuje.
Regulace glukoneogeneze vzrůstem koncentrace cAMP
Glukagon a adrenalin svým účinkem způsobují zvýšenou produkci cAMP, který aktivuje cAMP-dependentní proteinkinázu A (18). Účinkem tohoto enzymu dochází k fosforylaci a následně inaktivaci pyruvátkinázy. Tím se zablokuje přeměna fosfoenolpyruvátu na pyruvát, tedy v okamžiku, kdy by pro opačný proces (glukoneogenezi) byl nutný zbytečný výdej energie na obnovení fosfoenolpyruvátu. Nárůst koncentrace fosfoenolpyruvátu způsobí snížení aktivity glykolytické dráhy, naopak aktivuje procesy zpětné syntézy glukózy.
V procesu glukoneogeneze hraje důležitou roli oxidace mastných kyselin, protože je zdrojem makroergických fosfátů nutných pro karboxylázovou a fosfoenolpyruvátkarboxykinázovou reakci.
Hormonální regulace glukoneogeneze
Sekrece inzulínu se zvyšuje při zvýšené koncentraci glukózy v krvi. Inzulín zesiluje syntézu klíčových enzymů glykolýzy, na enzymy glukoneogeneze působí inhibičně.
Související články
Nikotinamidové koenzymy - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.