Glukoneogenez

Basitleştirilmiş glukoneogenez yolu (insanlarda olduğu gibi). Yağ asitlerinden türetilen asetil-CoA (noktalı çizgiler) açlık koşulları altında küçük bir oranda piruvata dönüştürülebilir. ⓘ

Glukoneogenez (GNG), karbonhidrat olmayan bazı karbon substratlarından glukoz üretimiyle sonuçlanan metabolik bir yoldur. Bitkilerde, hayvanlarda, mantarlarda, bakterilerde ve diğer mikroorganizmalarda her yerde bulunan bir süreçtir. Omurgalılarda, glukoneogenez esas olarak karaciğerde ve daha az ölçüde böbreklerin korteksinde meydana gelir. İnsanlar ve diğer birçok hayvan tarafından kan şekeri seviyelerini korumak ve düşük seviyelerden (hipoglisemi) kaçınmak için kullanılan iki temel mekanizmadan biridir - diğeri glikojenin bozulmasıdır (glikojenoliz). Ruminantlarda, diyet karbonhidratları rumen organizmaları tarafından metabolize edilme eğiliminde olduğundan, glukoneogenez açlık, düşük karbonhidratlı diyetler, egzersiz vb. durumlardan bağımsız olarak gerçekleşir. Diğer birçok hayvanda bu süreç açlık, açlık, düşük karbonhidratlı diyetler veya yoğun egzersiz dönemlerinde gerçekleşir. ⓘ

İnsanlarda, glukoneogenez için substratlar piruvata veya glikoliz ara ürünlerine dönüştürülebilen karbonhidrat olmayan kaynaklardan gelebilir (şekle bakın). Proteinlerin parçalanması için bu substratlar arasında glukojenik amino asitler (ketojenik amino asitler olmasa da); lipitlerin (trigliseritler gibi) parçalanmasından gliserol, tek zincirli yağ asitleri (çift zincirli yağ asitleri olmasa da, aşağıya bakınız); ve metabolizmanın diğer bölümlerinden Cori döngüsünden laktat bulunur. Uzun süreli açlık koşulları altında, keton cisimlerinden türetilen aseton da bir substrat olarak hizmet edebilir ve yağ asitlerinden glikoza giden bir yol sağlar. Glukoneogenezin çoğu karaciğerde meydana gelse de, diyabet ve uzun süreli açlıkta böbrek tarafından glukoneogenezin göreceli katkısı artar. ⓘ

Glukoneogenez yolu, ATP veya GTP'nin hidrolizi ile birleşerek süreci etkili bir şekilde ekzergonik hale getirene kadar oldukça endergoniktir. Örneğin, piruvattan glukoz-6-fosfata giden yol kendiliğinden ilerlemek için 4 molekül ATP ve 2 molekül GTP gerektirir. Bu ATP'ler beta oksidasyonu yoluyla yağ asidi katabolizmasından sağlanır. ⓘ

Glukoneogenez, kelime anlamı olarak glukozun yeniden yapımı anlamına gelir ki zaten bu reaksiyon glukozun yıkım reaksiyonu olan glikolizden sonra hücrenin glukoz ihtiyacına göre gerçekleşir. Glikolizin tersi gibi gözükse de gerçekte öyle değildir. Yolaktaki farklı hormon ve enzimler bu farkı oluşturur. Glikolizdeki reaksiyonlardan üç tanesi irreversible yani geri dönüşümsüzdür. Bu üç reaksiyon ise şunlardır:

1. Glukoz → Glukoz 6-fosfat ( Glukokinaz ve Hekzokinaz enzimleri katalizler.)
2. Fruktoz 6-fosfat → Fruktoz 1,6 Bifosfat ( Fosfofruktokinaz )
3. Fosfoenolpiruvat (PEP) → Piruvat ( Piruvat Kinaz ) ⓘ

Glukoneogenezde bu reaksiyonları tersine döndürmek için farklı enzimler vardır. Bu enzimler şunlardır:

1. Glukoz 6-fosfat → Glukoz ( Glukoz 6 fosfataz )
2. Fruktoz 1,6 fosfat → Fruktoz 6-fosfat ( Fruktoz 1,6 bifosfataz )
3. Piruvat → Okzaloasetat ( Piruvat karboksilaz ) bu reaksiyon bir basamak daha devam eder: Okzaloasetat → Fosfoenolpiruvat ( PEP Karboksikinaz ) ⓘ

Glukoneogenez hormonların kontrolleri altındadır. Bu hormonların en önemlileri ise Glukagon , İnsülin ve Epinefrindir. Glukagon ve epinefrin kan glukozunu arttırabilmek amacıyla glukoneogenezi aktive ederken insülin ise tam tersine etki göstererek glikolizi artırırken glukeneogenezi azaltır. ⓘ

Öncüller

Proteinojenik amino asitlerin katabolizması. Amino asitler, ürünlerinin glukoneogeneze girme yeteneklerine göre sınıflandırılır:

• Glukojenik amino asitler bu yeteneğe sahiptir
• Ketojenik amino asitler bunu yapmaz. Bu ürünler yine de ketogenez veya lipid sentezi için kullanılabilir.
• Bazı amino asitler hem glukojenik hem de ketojenik ürünlere katabolize olur. ⓘ

İnsanlarda ana glukoneojenik öncüler laktat, gliserol (trigliserit molekülünün bir parçasıdır), alanin ve glutamindir. Bunlar toplamda glukoneojenezin %90'ından fazlasını oluşturur. Diğer glukojenik amino asitler ve tüm sitrik asit döngüsü ara ürünleri (oksaloasetata dönüşüm yoluyla) de glukoneogenez için substrat olarak işlev görebilir. Genel olarak, gıdalardaki glukoneojenik substratların insan tüketimi glukoneogenezin artmasına neden olmaz. ⓘ

Ruminantlarda propiyonat başlıca glukoneojenik substrattır. İnsanlar da dahil olmak üzere geviş getirmeyen hayvanlarda, tek zincirli ve dallı zincirli yağ asitlerinin β-oksidasyonundan kaynaklanan propiyonat, glukoneogenez için (nispeten küçük) bir substrattır. ⓘ

Laktat karaciğere geri taşınır ve burada laktat dehidrojenaz enzimi kullanılarak Cori döngüsü ile piruvata dönüştürülür. Glukoneojenik yolun ilk belirlenmiş substratı olan piruvat daha sonra glukoz üretmek için kullanılabilir. Amino asitlerin transaminasyonu veya deaminasyonu, karbon iskeletlerinin döngüye doğrudan (piruvat veya oksaloasetat olarak) veya sitrik asit döngüsü yoluyla dolaylı olarak girmesini kolaylaştırır. Cori döngüsü laktatının toplam glukoz üretimine katkısı açlık süresiyle birlikte artar. Özellikle, insan gönüllülerin 12, 20 ve 40 saatlik açlıklarının ardından, Cori döngüsü laktatının glukoneogeneze katkısı sırasıyla %41, %71 ve %92 olmuştur. ⓘ

Çift zincirli yağ asitlerinin hayvanlarda glikoza dönüştürülüp dönüştürülemeyeceği biyokimyada uzun süredir devam eden bir sorudur. Tek zincirli yağ asitleri asetil-CoA ve propiyonil-CoA verecek şekilde oksitlenebilir, ikincisi piruvata dönüştürülebilen ve glukoneogeneze girebilen süksinil-CoA'nın öncüsü olarak hizmet eder. Buna karşılık, çift zincirli yağ asitleri sadece asetil-CoA verecek şekilde oksitlenir ve glukoneogeneze girmesi için dört karbonlu dikarboksilik asit öncülleri üretmek üzere bir glioksilat döngüsünün (glioksilat şantı olarak da bilinir) varlığı gerekir. Glioksilat şantı, malat sentaz ve izositrat liyaz olmak üzere iki enzimden oluşur ve mantarlar, bitkiler ve bakterilerde mevcuttur. Hayvansal dokularda tespit edilen glioksilat şant enzimatik aktivitelerine dair bazı raporlara rağmen, her iki enzimatik fonksiyonu kodlayan genler sadece nematodlarda bulunmuştur ve bunlar tek bir çift fonksiyonlu enzim olarak mevcuttur. Tek başına malat sentazı kodlayan genler (ancak izositrat liyaz değil) eklembacaklılar, ekinodermler ve hatta bazı omurgalılar dahil olmak üzere diğer hayvanlarda tanımlanmıştır. Malat sentaz genine sahip olduğu tespit edilen memeliler arasında monotremler (ornitorenk) ve keseliler (opossum) bulunur, ancak plasental memeliler bulunmaz. ⓘ

İnsanlarda glioksilat döngüsünün varlığı tespit edilmemiştir ve insanlarda yağ asitlerinin doğrudan glikoza dönüştürülemeyeceği yaygın olarak kabul edilmektedir. Karbon-14'ün yağ asitleri ile sağlandığında glukoza dönüştüğü gösterilmiştir, ancak bu durum asetil-CoA'dan türetilen etiketli atomların, glukojenik amino asitler gibi diğer fizyolojik kaynaklardan türetilenlerle değiştirilebilir olan sitrik asit döngüsü ara ürünlerine dahil edilmesinden beklenebilir. Diğer glukojenik kaynakların yokluğunda, yağ asitlerinin oksidasyonundan elde edilen 2 karbonlu asetil-CoA, sitrik asit döngüsü yoluyla net bir glukoz verimi üretemez, çünkü döngü sırasında eşdeğer iki karbon atomu karbondioksit olarak salınır. Ancak ketozis sırasında yağ asitlerinden elde edilen asetil-CoA, aseton da dahil olmak üzere keton cisimcikleri verir ve asetonun ~%60'a kadarı karaciğerde piruvat öncülleri asetol ve metilglioksal'a oksitlenebilir. Dolayısıyla yağ asitlerinden türetilen keton cisimleri açlık sırasında glukoneogenezin %11'ine kadarını oluşturabilir. Yağ asitlerinin katabolizması da glukoneogenez yolu için gerekli olan ATP formunda enerji üretir. ⓘ

Konum

Memelilerde glukoneogenezin karaciğer, böbrek, bağırsak ve kasla sınırlı olduğuna inanılmaktaydı, ancak son kanıtlar glukoneogenezin beynin astrositlerinde meydana geldiğini göstermektedir. Bu organlar biraz farklı glukoneojenik öncüler kullanmaktadır. Karaciğer tercihen laktat, gliserol ve glukojenik amino asitleri (özellikle alanin) kullanırken böbrek tercihen laktat, glutamin ve gliserol kullanır. Cori döngüsünden gelen laktat, özellikle böbrek için kantitatif olarak glukoneogenez için en büyük substrat kaynağıdır. Karaciğer glikoz üretmek için hem glikojenoliz hem de glukoneogenezi kullanırken, böbrek sadece glukoneogenezi kullanır. Yemekten sonra karaciğer glikojen sentezine geçerken böbrek glukoneogenezi artırır. Bağırsak çoğunlukla glutamin ve gliserol kullanır. ⓘ

Propiyonat, ruminant karaciğerinde glukoneogenez için ana substrattır ve ruminant karaciğeri, glukoz talebi arttığında glukoneojenik amino asitleri (örn. alanin) daha fazla kullanabilir. Karaciğer hücrelerinin glukoneogenez için laktat kullanma kapasitesi buzağı ve kuzularda preruminant evreden ruminant evreye doğru azalır. Koyun böbrek dokusunda, propiyonattan çok yüksek oranlarda glukoneojenez gözlenmiştir. ⓘ

Tüm türlerde, piruvat ve TCA döngüsü ara ürünlerinden oksaloasetat oluşumu mitokondriyonla sınırlıdır ve Fosfoenolpirüvik asidi (PEP) glukoz-6-fosfata dönüştüren enzimler sitozolde bulunur. Oksaloasetatı PEP'e dönüştürerek glukoneogenezin bu iki bölümünü birbirine bağlayan enzimin - PEP karboksikinaz (PEPCK) - konumu türlere göre değişir: tamamen mitokondri içinde, tamamen sitozol içinde veya insanlarda olduğu gibi ikisi arasında eşit olarak dağılmış halde bulunabilir. PEP'in mitokondriyal membran boyunca taşınması özel taşıma proteinleri tarafından gerçekleştirilir; ancak oksaloasetat için böyle bir protein mevcut değildir. Bu nedenle, mitokondri içi PEPCK bulunmayan türlerde, glukoneogenezin devam edebilmesi için okzaloasetatın malat veya aspartata dönüştürülmesi, mitokondriden ihraç edilmesi ve tekrar okzaloasetata dönüştürülmesi gerekir. ⓘ

Anahtar moleküller ve enzimlerle birlikte glukoneogenez yolu. Birçok adım glikolizde bulunanların tersidir. ⓘ

Patika

Glukoneogenez, enzim katalizli bir dizi on bir reaksiyondan oluşan bir yoldur. Yol, kullanılan substrata bağlı olarak karaciğer ya da böbrekte, bu hücrelerin mitokondri ya da sitoplazmasında başlar. Reaksiyonların çoğu glikolizde bulunan adımların tersidir.

• Glukoneogenez mitokondride piruvatın karboksilasyonu ile oksaloasetat oluşumuyla başlar. Bu reaksiyon da bir molekül ATP gerektirir ve piruvat karboksilaz tarafından katalize edilir. Bu enzim yüksek seviyelerde asetil-CoA (karaciğerde β-oksidasyonda üretilir) tarafından uyarılır ve yüksek seviyelerde ADP ve glukoz tarafından inhibe edilir.
• Oksaloasetat, mitokondri dışına taşınması için gerekli bir adım olan NADH kullanılarak malata indirgenir.
• Malat, glukoneogenezin geri kalan adımlarının gerçekleştiği sitozolde NAD⁺ kullanılarak oksaloasetata oksitlenir.
• Oksaloasetat dekarboksile edilir ve ardından PEPCK enzimi kullanılarak fosfoenolpiruvat oluşturmak üzere fosforile edilir. Bu reaksiyon sırasında bir GTP molekülü GDP'ye hidrolize olur.
• Reaksiyondaki sonraki adımlar tersine çevrilmiş glikoliz ile aynıdır. Ancak fruktoz 1,6-bifosfataz, bir su molekülü kullanarak ve bir fosfat açığa çıkararak fruktoz 1,6-bifosfatı fruktoz 6-fosfata dönüştürür (glikolizde fosfofruktokinaz 1, F6P ve ATP'yi F1,6BP ve ADP'ye dönüştürür). Bu aynı zamanda glukoneogenezin hız sınırlayıcı basamağıdır.
• Glukoz-6-fosfat, fruktoz 6-fosfattan fosfoglukoizomeraz tarafından oluşturulur (glikolizdeki 2. adımın tersi). Glukoz-6-fosfat diğer metabolik yollarda kullanılabilir veya serbest glukoza defosforile edilebilir. Serbest glukoz hücre içine ve dışına kolayca yayılabilirken, fosforlanmış form (glukoz-6-fosfat) hücre içinde kilitli kalır, bu da hücre içi glukoz seviyelerinin hücreler tarafından kontrol edildiği bir mekanizmadır.
• Son glukoneogenez, yani glukoz oluşumu endoplazmik retikulumun lümeninde gerçekleşir; burada glukoz-6-fosfat, glukoz-6-fosfataz tarafından hidrolize edilerek glukoz üretilir ve inorganik fosfat açığa çıkar. Önceki iki adım gibi, bu adım da glikolizin basit bir tersine çevrilmesi değildir; burada hekzokinaz glikoz ve ATP'nin G6P ve ADP'ye dönüşümünü katalize eder. Glikoz, endoplazmik retikulum membranında bulunan glikoz taşıyıcıları tarafından sitoplazmaya taşınır. ⓘ

Glikoliz, glukoneogenez, glikojenez ve glikojenoliz dahil olmak üzere yaygın monosakkaritlerin metabolizması ⓘ

Yönetmelik

Glukoneogenezdeki çoğu adım glikolizde bulunanların tersi olsa da, üç düzenlenmiş ve güçlü endergonik reaksiyon, kinetik olarak daha uygun reaksiyonlarla değiştirilir. Glikolizin hekzokinaz/glukokinaz, fosfofruktokinaz ve piruvat kinaz enzimlerinin yerini glukoz-6-fosfataz, fruktoz-1,6-bisfosfataz ve PEP karboksikinaz/piruvat karboksilaz alır. Bu enzimler tipik olarak benzer moleküller tarafından düzenlenir, ancak zıt sonuçlar doğurur. Örneğin, asetil CoA ve sitrat glukoneogenez enzimlerini (sırasıyla piruvat karboksilaz ve fruktoz-1,6-bisfosfataz) aktive ederken aynı zamanda glikolitik enzim piruvat kinazı inhibe eder. Bu karşılıklı kontrol sistemi, glikoliz ve glukoneogenezin birbirini inhibe etmesine izin verir ve glikozun sadece parçalanmak üzere sentezlendiği beyhude bir döngüyü önler. Piruvat kinaz, piruvat ve ardından laktat oluşturmak amacıyla glukoneogenezle ilgili olmayan 86 yol tarafından da bypass edilebilir; bu yollardan bazıları glukoz kaynaklı karbon atomlarını kullanır. ⓘ

Glukoneogenezden sorumlu enzimlerin çoğu sitozolde bulunur; istisnalar mitokondriyal piruvat karboksilaz ve hayvanlarda fosfoenolpiruvat karboksikinazdır. Sonuncusu hem mitokondriyonda hem de sitozolde bulunan bir izozim olarak mevcuttur. Glukoneogenez oranı nihai olarak, cAMP ve fosforilasyonu ile sinyal iletimi yoluyla da düzenlenen anahtar bir enzim olan fruktoz-1,6-bifosfatazın etkisi ile kontrol edilir. ⓘ

Glukoneogenezin global kontrolüne glukagon aracılık eder (kan glukozu düşük olduğunda salınır); Protein Kinaz A (siklik AMP ile düzenlenen bir kinaz) tarafından enzimlerin ve düzenleyici proteinlerin fosforilasyonunu tetikleyerek glikolizin inhibisyonuna ve glukoneogenezin uyarılmasına neden olur. İnsülin, glukoneogenezi inhibe ederek glukagona karşı koyar. Tip 2 diyabet, vücutta aşırı glukagon ve insülin direnci ile kendini gösterir. İnsülin artık PEPCK gibi enzimlerin gen ekspresyonunu engelleyemez ve bu da vücutta hiperglisemi seviyelerinin artmasına neden olur. Anti-diyabetik ilaç metformin, insülin direncine bağlı olarak insülinin glukoneogenezi inhibe edememesinin üstesinden gelerek, öncelikle glukoneogenezin inhibisyonu yoluyla kan glukozunu düşürür. ⓘ

Çalışmalar, hepatik glukoz üretiminin yokluğunun açlık plazma glukoz konsantrasyonunun kontrolü üzerinde önemli bir etkisi olmadığını göstermiştir. Glukoneogenezin telafi edici indüksiyonu böbreklerde ve bağırsakta glukagon, glukokortikoidler ve asidoz ile gerçekleşir. ⓘ

İnsülin direnci

Karaciğerde FOX proteini FOXO6 normalde açlık durumunda glukoneogenezi teşvik eder, ancak insülin beslenme üzerine FOXO6'yı bloke eder. İnsülin direnci durumunda, insülin FOXO6'yı bloke edemez, bu da beslenmede bile glukoneogenezin devam etmesine ve yüksek kan glukozuna (hiperglisemi) neden olur. ⓘ

İnsülin direnci, metabolik sendrom ve tip 2 diyabetin ortak bir özelliğidir. Bu nedenle glukoneogenez, glukoneojenik glukoz oluşumunu inhibe eden ve hücreler tarafından glukoz alımını uyaran antidiyabetik ilaç metformin gibi tip 2 diyabet tedavisinin bir hedefidir. ⓘ