Glukoneogenese

1. Glukoneogenese Syntese av glukose Anabole reaksjonsveier Winnie Eskild, IMBV 2004

2. 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

3. Glukogene forbindelser

4. 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

5. Glyoksylat syklus

6. 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

7. 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

8. Glukose Pyruvat ATP ATP ATP Glukose-6-fosfat Oksaloacetat Fruktose-6-fosfat GTP ATP NADH ATP Fosfoenol-pyruvat Fruktose-1,6-bisfosfat NADH ATP

9. 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

10. Irreversible reaksjoner i glykolysen

11. Glykolyse Heksokinase: glc + ATP => glc-6-P Fosfofruktokinase 1: fru-1-P + ATP => fru-1,6-bisP Pyruvat kinase: fosfoenolpyruvat + ADP => pyruvat + ATP Glukoneogenese Glukose-6-fosfatase: glc-6-P => glc + Pi Fruktose 1,6-bisfosfatase: Fru-1,6-bisP => fru-6-P + Pi 2 mitokondrielle multienzym reaksjonsveier Unike, irreversible reaksjoner

15. 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

17. 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

18. Biotins reaksjonsmekanisme • Ureidogruppen bærer CO2 • Enzymet har 2 aktive seter: Aktivering av bikarbonat Overføring av CO2 til pyruvat

19. 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

20. 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

21. 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)

22. 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

23. 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

24. 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

25. Fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat • Serien av reaksjoner som omdanner fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat er alle reverserte glykolysereaksjoner Pi + ADP aldolase ATP

26. 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

27. 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

28. Hvert glukosemolekyle koster 10-12 ATP • G = -16 kJ/mol • Omkostning: 4 ATP + 2 GTP (=2 ATP) + 2 NADH (= 5 ATP) = 11 ATP

29. Pentosefosfat reaksjonsveien Syntese av NADPH og ribose-5-fosfat Winnie Eskild, IMBV 2004

30. 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

31. Dehydrogenering avglukose-6-fosfat • C-1 i glukose-6-fosfat dehydrogeneres og omdannes herved til en intramolekylær ester, 6-fosfo-glukono-d-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

32. Hydrolyse av 6-fosfo-glukono-d-lakton • 6-fosfoglukono-d-lakton hydrolyseres rask til 6-fosfoglukonsyre som dissosierer til 6-fosfoglukonat • Enzymet er laktonase og trenger Mg2+ for full aktivitet

33. 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

34. Isomerisering av ribulose-5-fosfat • Ketosen ribulose-5-fosfat isomeriseres til aldosen ribose-5-fosfat • Enzymet er fosfopentose isomerase

35. 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

36. 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

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

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

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

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

41. 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

42. 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

43. 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

44. Ikke-oksidativ del av pentosefosfatveien

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