Glukoneogenéza

U ľudí sú hlavnými prekurzormi glukoneogenézy laktát, glycerol (ktorý je súčasťou triacylglycerolov), alanín a glutamín. Celkovo zahŕňajú až 90 % zdrojov glukoneogenézy.^[7] Ostatné glukogénne aminokyseliny a všetky intermediáty citrátového cyklu (pomocou premeny na oxalacetát) je možné takisto využiť ako substráty pre glukoneogenézu.^[8] Všeobecne však konzumácia glukoneogénnych substrátov v potrave nevedie k zvýšenej glukoneogenéze.^[9]

U prežúvavcov je hlavným substrátom pre glukoneogenézu propionát.^[3][11] U ostatných organizmov vzniká propionát v beta oxidácii mastných kyselín s nepárnym počtom uhlíkov a u vetvených aminokyselín a je len subtrátom len v relatívne malom množstve.^[12][13]

Laktát je transportovaný naspäť do pečene v Coriho cykle, kde je premenený na pyruvát pomocou laktátdehydrogenázy. Pyruvát, prvý substrát predurčený na glukoneogenézu, potom môže byť využitý na syntézu glukózy.^[8] Transaminácia alebo deaminácia aminokyselín umožňuje vstup ich uhlíkovej kostry do cyklu priamo (ako pyruvát alebo oxalacetát) alebo nepriamo (cez citrátový cyklus). Príspevok laktátu z Coriho cyklu na celkovú produkciu glukózy sa zvyšuje s dĺžkou hladovania.^[14] Konkrétne, po 12, 20 a 40 hodinách hladovania u ľudských dobrovoľníkov bol príspevok laktátu z Coriho cyklu ku glukoneogenéze 41 %, 71 % a 92 %.^[14]

V biochémii bola dlho nezodpovedná otázka, či môžu byť na glukózy u zvierat konvertované aj mastné kyseliny s párnym počtom uhlíkom.^[15] Mastné kyseliny s nepárnym počtom uhlíkov je možno oxidovať na acetylkoenzým A a propionylkoenzým A, pričom propionylkoenzým A potom môže fungovať ako prekurzor sukcinylkoenzýmu A, ktorý sa následne môže premeniť na pyruvát a vstúpiť do glukoneogenézy. Naproti tomu mastné kyseliny s párnym počtom uhlíkov sú oxidované len na acetylkoenzým A. Ten môže vstúpiť do glukoneogenézy len pomocou glyoxylátového cyklu, pri ktorom sa z neho tvoria štvoruhlíkové dikarboxylové kyseliny ako prekurzory.^[8] Glyoxylátový cyklus zahŕňa dva enzýmy, malátsyntázu a izocitrátlyázu, ktoré sú prítomné v hubách, rastlinách a baktériách. Napriek niekoľkým správam o detekcii enzýmovej aktivity týchto enzýmov u zvierat boli však gény kódujúce oba tieto enzýmy nájdené len u hlístovcov, u ktorých existujú ako jeden bifunkčný enzým.^[16][17] Gény kódujúce len malátsyntázu (ale nie izocitrátlyázu) boli identifikované i u iných živočíchov, napríklad článkonožcov, ostnatokožcov a dokonac i u niektorých stavovcov. Cicavce, u ktorých bola objavená malátsyntáza, zahŕňajú kloakovce (vtákopysk) a vačkovce (vačica), ale nie u placentovcov.^[17]

Existencia glyoxylátového cyklu u ľudí nebola potvrdená a je teda všeobecne predpokladné, že u ľudí nemôžu byť mastné kyseliny premenené na glukózu priamo. Bolo ukázané, že uhlík-14 sa objaví v glukóze, ak je dodaný v podobe mastných kyselín,^[18] ale toto sa dá predpokladať na základe zabudovávania značených atómov odvodených z acetylkoenzýmu A do intermediátov citrátového cyklu, ktoré sú zameniteľné s tými odvodenými z iných fyziologických zdrojov, ako sú glukogénne aminokyseliny.^[15] Bez prítomnosti ostatných glukogénnych zdrojov nemôže dvojuhlíkový acetylkoenzým A odvodený z oxidácie mastných kyselín viesť k celkovému zisku glukózy cez citrátový cyklus, pretože v citrátovom cykle sú dva atómy uhlíku uvoľnené v podobe oxidu uhličitého. Počas ketózy sa však acetylkoenzým A z mastných kyselín využíva na tvorbu ketolátok, vrátane acetónu, a až ~60 % acetónu môže byť oxidovaných v pečeni na pyruvátové prekurzory acetol (hydroxyacetón) a metylglyoxal.^[19][4] Ketolátky vytvorené z mastných kyselín by teda mohli tvoriť až 11 % glukoneogenézy počas hladovania. Katabolizmus mastných kyselín produkuje aj energiu v podove ATP, ktorá je nutná pre glukoneogenézu.

U cicavcov sa predpokladalo, že glukoneogenéza prebieha len v pečeni,^[20] obličkách,^[20] črevách^[21] a svaloch,^{[chýba zdroj]} ale nové poznatky poukazujú na to, že glukoneogenéza prebieha i v astrocytoch v mozgu.^[22] Tieto orgány využívajú mierne odlišné prekurzory glukoneogenézy. Pečen využíva predovšetkým lakát, glycerol a glukogénne aminokyseliny (hlavne alanín), zatiaľ čo obličky využívajú laktát, glutamín a glycerol.^[23][7] Lakát z Coriho cyklu je kvantitatívne najväčším zdrojom substrátu pre glukoneogenézu, a to hlavne v obličkách.^[7] Pečeň využíva glykogenolýzu i glukoneogenézu na tvorbu glukózy, zatiaľ čo obličky využívajú len glukoneogenézu.^[7] Po jedle sa pečeň sústredí skôr na syntézu glykogénu a u obličiek sa zvýši glukoneogenéza.^[9] Črevá využívajú hlavne glutamín a glycerol.^[21]

Propionát je hlavným zdrojom glukoneogenézy v pečeni prežúvavcov a ich pečeň môže zároveň využívať glukogénne aminokyseliny (napríklad alanín) vo väčšom množstve, keď sa zvýši dopyt po glukóze.^[24] Kapacita buniek pečene využiť laktát na glukoneogenézu sa znižuje počas životného vývoja prežúvavcov u teliat a jahniat.^[25] V tkanive ovčích obličiek bol pozorovaný vysoký obrat glukoneogenézy z propionátu.^[26]

Vo všetkých druhoch je tvorba oxalacetátu z pyruvátu a intermediátov citrátového cyklu obmedzená len na mitochondrie. a enzýmy konvertujúce fosfoenolpyruvát (PEP) na glukóza-6-fosfát sú prítomné v cytozole.^[27] Umiestnenie enzýmu, ktorý spája tieto dve často glukoneogenézy premenou oxalacetátu na PEP - PEP karboxykináza (PEPCK) - sa medzidruhovo mení: enzým sa môže nachádzať výlučne v mitochondiách, výlučne v cytozole, alebo byť rozložený rovnomerne v oboch, ako je to u ľudí.^[27] Transport PEP cez mitochondriálnu membránu sa dosahuje pomocou určených transportných proteínov, ale žiadne také enzýmy neexistujú pre oxalacetát.^[27] To znamená, že u druhov, ktoré nemajú PEPCK prítomnú v mitochondriách, je nutné premeniť oxalacetát na malát alebo aspartát, presunúť ho mimo mitochondrie a potom premeniť znovu naspäť na oxalacetát, aby mohla glukoneogenéza pokračovať.^[27]

Glukoneogenéza je dráha pozostávajúca zo série 11 reakcií katalyzovaných enzýmami. Dráha začína v pečeni alebo obličke, presnejšie v mitochondrii alebo cytoplazme týchto buniek, čo záleží na použitom substráte. Mnoho reakcií je spätnými reakciami glykolýzy.

• Glukoneogenéza začina v mitochondrii vytvorením oxalacetátu pomocou karboxylácie pyruvátu. Táto reakcia vyžaduje jednu molekulu ATP a je katalyzovaná pyruvátkarboxylázou. Enzým je stimulovaný vysokou koncentráciou acetylkoenzýmu A (produkovaného v beta oxidácii v pečeni) a inhibovaný vysokou koncentráciou ADP a glukózy.
• Oxalacetát je redukovaný na malát za účasti NADH, čo je nutné na jeho presun mimo mitochondrie.
• Malát je oxidovaný naspäť na oxalacetát pomocou NAD⁺ v cytozole, kde prebieha zvyšok glukoneogenézy.
• Oxalacetát je dekarboxylovaný a potom fosforylovaný, čím vzniká fosfoenolpyruvát. Reakcie katalyzuje enzým PEPCK. Počas reakcie sa hydrolyzuje molekula GTP na GDP.
• Ďalšie kroky sú spätné reakcie z glykolýzy, až po tvorbu fruktóza-1,6-bisfosfátu. Fruktóza-1,6-bisfosfát je premieňaný na fruktóza-6-fosfát enzýmom fruktóza-1,6-bisfosfatázou, ktorá využíva jednu molekulu vody a uvoľňuje jednu molekulu fosfátu (v glykolýze konvertuje premenu F6P na F1,6P enzým fosfofruktokináza za súčasnej hydrolýzy ATP na ADP). Toto je rýchlosť určujúci krok (rate-limiting step) glukoneogenézy.
• Glukóza-6-fosfát je tvorený z fruktóza-6-fosfátu pomocou fosfoglukoizomerázy (spätná reakcia druhého kroku glykolýzy). Glukóza-6-fosfát (G6P) môže byť využitá v iných metabolických dráhach alebo defosforylovaný na voľnú glukózu. Zatiaľ čo voľná glukóza môže difundovať do/z bunky, fosforylovaná forma (G6P) je však zadržaná v bunke (bunková membrána pre ňu nie je voľne priepustná). Pomocou tohto mechanizmu je bunkami udržiavaná vnútorná hladina glukózy.
• Konečný krok glukoneogenézy, tvorba glukózy, prebieha v luméne endoplazmatického retikula, kde je glukóza-6-fosfát hydrolyzovaný glukóza-6-fosfatázou, čo produkuje glukózu a anorganický fosfát. Rovnako, ako dva kroky dozadu (premena F6P na G6P), ani tento krok nie je jednoduchou spätnou reakciou z glykolýzy, pri ktorom hexokináza katalyzuje konverziu glukózy a ATP na glukóza-6-fosfát a ADP. Glukóza je nakoniec presunutá do cytoplazmy pomocou glukózových transportérov, ktoré sa nachádzajú na membráne endoplazmatického retikula.

Metabolizmus bežných monosacharidov, zahŕňajúci glykolýzu, glukoneogenézu, glykogenézu a glykogenolýzu (v angličtine)

Zatiaľ čo väčšina krokov glukoneogenézy sú spätné reakcie glykolýzy, tri regulované a silne endergonické kroky sú nahradené reakciami, ktoré sú kineticky výhodnejšie. Enzýmy hexokináza/glukokináza, fosfofruktokináza a pyruvátkináza, vystupujúce v glykolýze, sú nahradené enzýmami glukóza-6-fosfátázou, fruktóza-1,6-bisfosfatázou a PEP karboxykinázou/pyruvátkarboxylázou. Tieto enzýmy sú typicky regulované podobnými molekulami, ale s opačnými výsledkami. Ako príklad, acetylkoenzým A a citrát aktivujú enzýmy glukoneogenézy (konkrétne, pyruvátkarboxylázu a fruktóza-1,6-bisfosfatázu) a zároveň inhibujú glykolytický enzým pyruvátkinázu. Tento systém vzájomneho riadenia glykolýzy a glukoneogenézy inhibujúcich sa navzájom zabraňuje zbytočným cyklom syntézy a rozkladu glukózy. Pyruvátkinázu je možné obísť celkom 86 inými dráhami^[28] nesúvisiacimi s glukoneogenézou za účelom syntézy pyruvátu a následne laktátu - niektoré z nich využívajú uhlíkové atómy pochádzajúce z glukózy.

Väčšina enzámov zodpovedných za glukoneogenézu sa nachádza v cytozole. Výnimkou je pyruvátkarboxyláza, prítomná v mitochondrii, a u zvierat PEP karboxykináza (PEPCK). PEPCK existuje ako izoenzým prítomný v mitochondrii aj cytozole.^[29] Rýchlosť flukoneogenézy je udávaná pôsobením kľúčového enzýmu, fruktóza-1,6-bisfosfatázy, ktorá je zároveň regulovaná pomocou prenosu signálu vďaka cAMP a jej fosforylácii.

Globálna regulácia glukoneogenézy je sprostredkovaná glukagónom (ktorý sa vylučuje pri nízkej hladine glukózy v krvi). Ten spôsobuje fosforyláciu enzýmov a regulačných proteínov proteínkinázou A (kináza regulovaná cyklickým AMP), čo vedie k inhibícii glykolýzy a stimulácii glukoneogenézy. Inzulín pôsobí proti glukagónu inhibíciou glukoneogenézy. Diabetes druhého typu je spôsobený nadbytkom glukagónu a odolnosťou tela voči inzulínu.^[30] Inzulín nie je schopný inhibovať génovú expresiu enzýmov, ako napríklad PEPCK, čo vedie k zvýšenej hladine glukózy v krvi (hyperglykémii).^[31] Antidiabetikum metformín znižuje hladinu glukózy primárne pomocou inhibície glukoneogenézy, čím prekonáva neschopnosť inzulínu inhibovať glukoneogenézu kvôli vzniknutej rezistencii na inzulín.^[32]

Štúdie preukázali, že absencia heptálnej produkcie glukózy nemá významný efekt na riadenie koncentrácie glukózy v plazme počas hladovania. Kompenzačná indukcia glukoneogenézy prebieha v obličkách a črevách a je poháňaná glukagónom, glukokortikoidmi a acidózou.^[33]

FOX proteín FoxO6 v pečeni bežne podporuje glukoneogenézu počas hladovania, ale inzulín blokuje FoxO6 po jedle.^[34] V prípade inzulínovej rezistencie inzulín neblokuje FoxO6, čo má za následok glukoneogenézu i po jedlo, zapríčiňujúc hyperglykémiu (vysokú hladinu cukru v krvi).^[34]

Inzulínová rezistencia je bežný prejav metabolického syndrómu a diabetu druhého typu. Z tohto dôvodu je glukoneogenéza cieľom terapie diabetu druhého typu, napríklad antidiabetikom metformínom, ktorý inhibuje glukoneogenickú tvorbu glukózy a stimuluje príjem glukózy bunkami.^[35]