Glukoneogenese

Syntese av glukose

Anabole reaksjonsveier

Winnie Eskild, IMBV 2004

Glukoneogenesen

• Glukoneogenesen er en reaksjonsvei som produserer glukose ut fra enkle trekarbonatom metabolismeintermediater– Pyruvat, laktat, glyserol, -ketosyrer

• Foregår i alle dyr, planter, sopp og mikroorganismer• I dyr er leveren hovedsete for glukoneogenese, noe foregår i

nyrebark• Biomolekyler som kan omdannes til glukose kalles glukogene

forbindelser• Alle sitronsyresyklusintermediater kan omdannes til glukose via

oksaloacetat• De fleste aminosyrers karbonskjelett omdannes til glukose via SSS.

Alanin (pyruvat) og glutamin/glutamat (-ketoglutarat) er kvantitativt viktigere fordi disse finnes i høyere konsentrasjoner enn andre aminosyrer

Glukogene forbindelser

Glukoneogenesen

• I motsetning til planter kan ikke dyr omdanne vanlige fettsyrer til glukose

• Årsaken er at det ikke dannes noe nettoprodukt når acetyl-CoA sendes inn i sitronsyresyklusen

• Plantenes glyoksylatsyklus fører til nettodannelse av succinat som lett omdannes til glukose

• Fettsyrenedbrytning gir viktige bidrag til glykoneogenesen i form av ATP og NADH

Glyoksylat syklus

Glukoneogenesen

• Organismen er helt avhengig av tilgang på glukose fordi sentrale funksjoner i kroppen ikke klarer seg med andre energisubstrater

• Organer som bruker glukose som hovedenergikilde: hjernen, nervesystemet, nyrene, testikler, røde blodceller, embryonale vev

• Hjernen forbruker 120 g glukose pr dag

Glukoneogenesen

• Omdannelse av karbon-forbindelser (pyruvat) til glukose

• Prinsipielt samme reaksjonsvei i alle organismer og organer, små variasjoner i detaljene

• Mens glykolysen omdanner glukose til fosfoenolpyruvat/pyruvat omdanner glukoneogenesen fosfoenolpyruvat til glukose

Glukose

ATP

Glukose-6-fosfat

Fruktose-6-fosfat

Fruktose-1,6-bisfosfat Fosfoenol-pyruvat

ATP

ATP

ATPATP

ATP

GTP

NADH

NADH

Oksaloacetat

Pyruvat

Glykolyse vs glukoneogenese

• A B

• Motsatt rettede reaksjonsveier har oftest en del reaksjoner felles i tillegg til en eller flere som er unike for den enkelte reaksjonsveien

• De unike reaksjonene er kontrollpunktene• Glukoneogenesen har 3 unike reaksjoner som atskiller seg fra

glykolysen, resten av enzymene er felles• Unike enzymreaksjoner som kontrollerer hastigheten av en

reaksjonsvei er irreversible under de aktuelle forholdene i cellen

Irreversible reaksjoner i glykolysen

Unike, irreversible reaksjoner

Glykolyse1) Heksokinase:

1) glc + ATP => glc-6-P

2) Fosfofruktokinase 1:

1) fru-1-P + ATP => fru-1,6-bisP

3) Pyruvat kinase: • fosfoenolpyruvat + ADP =>

pyruvat + ATP

GlukoneogeneseA) Glukose-6-fosfatase:

glc-6-P => glc + Pi

B) Fruktose 1,6-bisfosfatase: Fru-1,6-bisP => fru-6-P + Pi

C) 2 mitokondrielle multienzym reaksjonsveier

Glukoneogenesen - 1. unike reaksjonssekvens

• Første reaksjonssekvens foregår i mitokondriet• I motsetning til glykolysen hvor fosfoenolpyruvat til pyruvat er én

reaksjon trengs det en hel serie enzymreaksjoner til å omdanne pyruvat til fosfoenolpyruvat

• Cellen har to forskjellige reaksjonsveier til å utføre omdannelsen av pyruvat til fosfoenolpyruvat. Substratet avgjør hvilken reaksjonsvei som velges. Mulighet for NADH produksjon er viktig

• NADH trengs til å redusere 1,3-bisfosfoglyserat til glyseraldehyd-3-P• Når alanin eller pyruvat er substrater velges den ene reaksjonsveien

– Denne medfører at 2 elektroner i form av NADH ”hentes” ut fra mitokondriet

• Når laktat er substrat velges den andre reaksjonsveien– Denne medfører at NADH dannes før pyruvat går inn i mitokondriet

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I• Pyruvat transporteres inn i mitokondriet eller

dannes ved transaminering av alanin inne i mitokondriet

• Pyruvat karboksylase katalyserer flg. reaksjon:

Pyruvat + HCO3- + ATP => oksaloacetat + ADP

+ Pi. Biotin er kofaktor her• Dette er et viktig reguleringspunkt i

glukoneogenesen. Pyruvat karboksylase reguleres positivt av acetyl-CoA

• Anaplerotisk reaksjon

Biotins reaksjonsmekanisme

• Ureidogruppen bærer CO2

• Enzymet har 2 aktive seter:

Aktivering av bikarbonat

Overføring av CO2 til

pyruvat

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I• Oksaloacetat reduseres til malat• Enzymet er malat dehydrogenase (mitokondriell)• Reduserende ekvivalenter leveres av NADH

• => Oksaloacetat + NADH + H+ <=> malat + NAD+

• G = 0 kJ/mol. Reaksjonen er reversibel og inngår både i sitronsyresyklus og glukoneoenesen

• Malat overføres til cytosol via malat--ketoglutarat transportøren

• I cytosol reoksideres malat til oksaloacetat Malat + NAD+ => oksaloacetat + NADH + H+• Enzymet er den cytosoliske isoformen • av malat dehydrogenase• Resultatet av disse to reaksjonene er • overføring av to elektroner til cytosol

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I

• I cytosol reoksideres malat til oksaloacetat Malat + NAD+ => oksaloacetat + NADH + H+• Enzymet er den cytosoliske isoformen • av malat dehydrogenase• Resultatet av disse to reaksjonene er • overføring av to elektroner til cytosol

Pyruvat til fosfoenolpyruvat -I

• Oksaloacetat dekarboksyleres og fosforyleres og blir til fosfoenolpyruvat

• Enzymet er fosfoenolpyruvat karboksykinase

Oksaloacetat + GTP Mg 2+ fosfoenolpyruvat + GDP + CO2

• Det avspaltede CO2 er det samme som ble koplet på av pyruvat karboksylase

• Reaksjonssekvensen kan ses som eksempel på aktivering ved karboksylering av et molekyle som skal fosforyleres (finnes også i fettsyresyntese)

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I• Nettoreaksjon: pyruvat + ATP + GTP + HCO3

-

• fosfoenolpyruvat + CO2 + GDP + ADP + Pi

• G’o = 0,9 kJ/mol• Konsentrasjonen av fosfoenolpyruvat holdes

svært lav i cellen• Derfor er G = -25 kJ/mol• Overføring av elektroner til cytosol er essentielt

for glukoneogenesen. NADH / NAD+ i cytosol er vanligvis 10-4, mens det er ca 10 i mitokondriet

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - II• Når laktat er substrat går omdannelsen til fosfoenol-pyruvat via en alternativ rute

• Laktat er resultat av anaerob glykolyse f.eks ved muskelarbeid eller normal energi-omsetning i røde blodceller

• Første reaksjon foregår i cytosol. Her oksideres laktat til pyruvat og de frigjorte elektronene overføres til NAD+

• Nå er reduserende ekvivalenter for glukoneogenesen sikret

Laktat + NAD+ pyruvat + NADH + H+

• Enzymet er laktat dehydrogenase

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - II

• Pyruvat overføres til mitokondriet• Pyruvat omdannes til oksaloacetat i en

karboksyleringsreaksjon katalysert av pyruvat karboksykinase

Pyruvat + ATP + HCO3- Mg 2+

oksaloacetat + ADP + Pi• Oksaloacetat kan ikke passere indre mito-

kondriemembran. Veien om malat er unødvendig siden NADH allerede er dannet i cytosol

• Oksaloacetat omdannes direkte til fosfoenol-pyruvat av det mitokondielle isoenzymet fosfoenolpyruvat karboksykinase

Oksaloacetat +GTP Mg 2+ fosfoenolpyruvat + CO2 + GDP

• Fosfoenolpyruvat overføres til cytosol

Fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat

• Serien av reaksjoner som omdanner fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat er alle reverserte glykolysereaksjoner

ADP

ATP

+Pi

aldolase

Glukoneogenesen - 2. unike reaksjon

• Glykolysens fosfofruktokinase 1 reaksjon er irreversibel• I glukoneogenesen er det fruktose 1,6-bisfosfatase som

hydrolyser bindingen til fosfatgruppen på C-atom 1

• G’o = - 16,3 kJ/mol

Glukoneogenesens 3. unike reaksjon• Glykolysens heksokinasereaksjon er irreversibel• I glukoneogenesen er det enzymet glukose-6-fosfatase som

katalyserer hydrolyse av bindingen til fosfatgruppen. Enzymet er Mg2+ avhengig

• G’o = -13,8 kJ/mol• Dette enzymet finnes bare i lever og nyre hvor det er assosiert

med endoplasmatisk retikulum. Bare disse vev produserer glukose som sendes via blodsirkulasjonen til andre vev. Glukose-6-fosfat kan ikke passere cellemebranen

• Glukose-6-fosfatase er assosiert med endoplasmatisk retikulum

Hvert glukosemolekyle koster 10-12 ATP

• G = -16 kJ/mol• Omkostning: 4 ATP + 2 GTP (=2 ATP) + 2 NADH (= 5 ATP) = 11 ATP

Pentosefosfat reaksjonsveien

Syntese av NADPH og ribose-5-fosfat

Winnie Eskild, IMBV 2004

Pentosefosfatveien

• Formålet med denne reaksjonsveien er at danne ribose-5-fosfat og/eller NADPH

• Pentosen ribose er nødvendig i syntesen av nukleinsyrer• NADPH er elektrondonor i de fleste synteseveier• Pentosefosfatveien er spesielt viktig i celler med aktiv steroid-

og fettsyresyntese (f.eks. binyrer og fettvev)• I andre vev aktiveres pentosefosfatveien bare i forbindelse med

celledeling hvor det må syntetiseres mye nukleinsyrer• Pentosefosfatveien deles i en oksidativ del og en non-oksidativ

del– Oksidativ del: dannelse av ribose-5-fosfat og NADPH

– Non-oksidativ del:omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat

Dehydrogenering avglukose-6-fosfat

• C-1 i glukose-6-fosfat dehydrogeneres og omdannes herved til en intramolekylær ester, 6-fosfo-glukono--lakton

• Enzymet er glukose-6-fosfat dehydro-genase som trenger Mg 2+

• Det ekstraheres 2 elektroner og 2 protoner fra glukose-6-fosfat

• 2 elektroner og 1 proton overføres til NADP+ som omdannes til NADPH

• En proton frigis til miljøet

Hydrolyse av 6-fosfo-glukono--lakton

• 6-fosfoglukono--lakton hydrolyseres rask til 6-fosfoglukonsyre som dissosierer til 6-fosfoglukonat

• Enzymet er laktonase og trenger Mg2+ for full aktivitet

Dehydrogenering og dekarboksylering

• 6-fosfoglukonat dehydrogeneres og dekarboksyleres og omdannes herved til pentosen D-ribulose-5-fosfat

• Enzymet er 6-fosfoglukonat dehydrogenase som trenger Mg2+

• Det overføres en hydridion (2 elektroner og en proton) til NADP+ og en proton frigis til miljøet

• Dekarboksyleringen frigir CO2 til miljøet

Isomerisering av ribulose-5-fosfat

• Ketosen ribulose-5-fosfat isomeriseres til aldosen ribose-5-fosfat

• Enzymet er fosfopentose isomerase

Oppsummering av de fire reaksjonene

• Glukose-6-fosfat + 2 NADP+ + H2O => ribose-5-fosfat + 2

NADPH +2 H+ + CO2

• Nettoutbytte er 2 NADPH til generelle synteseformål og et molekyle ribose-5-fosfat til nukleinsyresyntese

Omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat

• I vev som bare trenger NADPH, men ikke ribose-5-fosfat, kan denne omdannes til glukose-6-fosfat og igjen brukes til NADPH dannelse

• Omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat er den non-oksidative delen av pentosefosfatveien

• To enzymer er aktive her: – Transketolase som bruker tiaminpyrofosfat (TPP) som kofaktor

– Transenolase

Epimerasereaksjonen• Ribose-5-fosfat epimeriseres til xylulose-5-fosfat• Epimerer har forskjellig konfigurasjon ved ett C-atom• Enzymene er epimerase og transketolase

Transketolasereaksjonene

• Transketolaser katalyserer overføringen av en 2-karbonatomenhet fra en ketose til en aldose

Transaldolasereaksjonen

• Transaldolase overfører en 3-karbonenhet fra en ketosedonor til en aldose mottaker

Transketolase overfører 2-karbonenhet fra xylulose-5-fosfat til ribose-5-fosfatHerved dannes sedoheptulose-7-fosfat og glyseraldehyd-3-fosfat

Transaldolasereaksjonen

• Her overføres en 3-karbonenhet fra sedoheptulose-7-fosfat til glyseraldehyd-3-fosfat

• Vi får dannet fruktose-6-fosfat og erytrose-4-fosfat• Enzymet er transaldolase som overfører 3-karbonenheter

Transketolasereaksjon

• Det overføres en 2C-enhet fra xylulose-5-fosfat til erytrose-5-fosfat

• Herved dannes fruktose-6-fosfat og glyseraldehyd-3-fosfat• Enzymet er transketolase

Omdannelse til glukose-6-fosfat

• De to fruktose-6-fosfat isomeriseres til glukose-6-fosfat

• Enzymet er fosfoheksose-isomerase

• To glyseraldehyd-3-fosfat omdannes til glukose-6-fosfat via fruktose-6-fosfat

• Enzymene triosefosfat-isomerase, aldolase, fruktose-1,6-bisfosfatase

• Totalt har vi fått omdannes 6 ribose-5-fosfat til 5 glukose-6-fosfat

Ikke-oksidativ del av pentosefosfatveien

Seks ribose-5-fosfat omdannes til fem glukose-6-fosfat