Syntéza glukózy de novo, glukoneogenéza, prebieha najmä v pečeni, v určitej miere aj v obličkách. Slúži na doplnenie glukózy v krvi, ak nie sú sacharidy prijaté v strave a telo už minulo zásoby glykogénu.
Proces je umiestnený v cytoplazme buniek a využíva rovnaké enzýmy, aké vystupujú v glykolýze. Výnimkou sú tri nevratné reakcie, kde je počas glukoneogenézy použitý iný enzým, alebo sa jednotlivé zlúčeniny na seba premieňajú iným procesom.
Glykolýza a glukoneogenéza musia byť regulované, nikdy neprebiehajú oba deje súčasne. Na obrázku je znázornená glykolýza. Reakcie označené modrou sú vratné a prebiehajú ako v glykolýze, tak aj počas syntézy glukózy (v opačnom smere). Katalyzované sú rovnakými enzýmami. Červené šípky značia nevratné reakcie glykolýzy, ktoré nie sú počas glukoneogenézy rovnaké.
Nevratné reakcie glykolýzy sú tie, v ktorých na začiatku investujeme energiu:
– glukóza + ATP → glukóza-6-fosfát + ADP (enzým: hexokináza, glukokináza) – počas syntézy glukózy prebieha reakcia opačným smerom pôsobením iného enzýmu,
– fruktóza-6-fosfát + ATP → fruktóza-1,6-bisfosfát + ADP (enzým: fosfofruktokináza) – pri syntéze glukózy je použitý iný enzým.
Poslednou nevratnou reakciou je tá posledná, keď z vysokoenergenického fosfoenolpyruvátu vzniká pyruvát:
– fosfoenolpyruvát + ADP → pyruvát + ATP (enzým: pyruvátkináza) – pri glukoneogenézi prebieha reakcia iným spôsobom.
Glukoneogenéza - prvý krok
Hneď v prvej reakcii pri syntéze glukózy je oproti glykolýze zmena. Substrátom je v tomto prípade pyruvát, z ktorého potrebujeme vytvoriť fosfoenolpyruvát. Na to bunka využíva sled niekoľkých reakcií.
Pyruvát sa najprv presúva z cytosolu do mitochondrií. Transformuje sa na oxalacetát, ktorý vstupuje do hydrogenačnej reakcie a vzniká malát (pozri citrátový cyklus). Malát opúšťa mitochondriu a v cytosole sa spätne premieňa na oxalacetát. Z neho sa v ďalších krokoch vytvorí fosfoenolpyruvát.
Vznik fosfoenolpyruvátu môžeme rozložiť na dve časti.
V prvej fáze vzniká karboxyláciou z pyruvátu oxalacetát v mitochondrii. Enzýmom je pyruvátkarboxyláza, na pripojenie CO2 k pyruvátu spotrebujeme 1 ATP a potrebujeme kofaktor biotín, ktorý túto CO2 skupinu prenesie.
Druhá fáza prebieha už v cytoplazme a oxalacetát sa počas nej premieňa na fosfoenolpyruvát. Spotreba je 1 GTP a tentokrát sa jedná o dekarboxyláciu. Enzým je fosfoenolpyruvátkarboxykináza.
Nasledujúci obrázok znázorňuje sled dejov, ktorými z pyruvátu vzniká fosfoenolpyruvát, konečný produkt. Na túto premenu bunka spotrebuje 2 ATP (dokopy 4 ATP na molekulu glukózy, keďže na jej tvorbu potrebujeme 2 molekuly pyruvátu).
Ďalšie reakcie sú zhodné s glykolýzou
Keď už bunka vytvorí fosfoenolpyruvát, nasledujú spätné reakcie glykolýzy, kým nenarazíme na ďalšiu nevratnú reakciu. Enzýmy vystupujúce v glykolýze katalyzujú aj spätné reakcie, ktoré sú súčasťou tvorby glukózy.
Fosfoenolpyruvát sa hydratuje za vzniku 2-fosfoglycerátu pôsobením enolázy. Fosfoglycerátmutáza ďalej katalyzuje jeho premenu na 3-fosfoglycerát, z ktorého po dodaní energie vo forme ATP vzniká 1,3-bisfosfoglycerát. Reakcia je katalyzovaná fosfoglycerátkinázou. Pôsobením dehydrogenázy vzniká v nasledujúcom kroku glyceraldehyd-3-fosfát, ktorý môže prostredníctvom triosofosfátizomerázy izomerizovať na dihydroxyacetónfosfát.
Vzniknutý dihydroxyacetónfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát sa spájajú v aldolovej kondenzácii, reakcii katalyzovanej aldolázou, za vzniku šesťuhlíkatej zlúčeniny – fruktóza-1,6-bisfosfátu.
Druhá náhradná reakcia
Fruktózu-1,6-bisfosfát potrebujeme „zbaviť“ jedného fosfátu. To má na starosti enzým fruktóza-1,6-bisfosfatáza, ktorá substrát hydrolyticky štiepi a jej pôsobením vzniká fruktóza-6-fosfát a anorganický fosfát.
Rovnako ako pri glykolýze, aj tu ide o prísne regulovanú reakciu. V prípade, že má bunka dostatok energie (ATP), reakcia prebieha v tomto smere a glukóza sa syntetizuje (prebieha glukoneogenéza). Ak prevažuje AMP, prebiehať bude glykolýza, fruktóza-1,6-bisfosfatáza je inhibovaná.
Glukoneogenéza opäť ako obrátená glykolýza
Získaná fruktóza-6-fosfát sa izomerizuje v spätnej reakcii glykolýzy. Produktom je glukóza-6-fosfát, reakciu katalyzuje, rovnako ako v glykolýze, fosfoglukoizomeráza.
Glukóza-6-fosfát nedokáže prechádzať cez cytoplazmatickú membránu bunky, je v nej uväznený. Musí sa premeniť na glukózu, až tá sa môže dostať von, preniknúť do krvi a vyživovať tak tkanivá. Enzým, ktorý katalyzuje túto premenu, však väčšina buniek nemá. Výnimkou sú bunky pečene, hepatocyty, a v určitej miere dokážu glukózu vytvoriť aj obličky.
Posledná reakcia
Poslednou reakciou glukoneogenézy je práve spomínaná premena glukóza-6-fosfátu na glukózu. Toho sú schopné iba bunky v pečeni a čiastočne v obličkách.
Potrebným enzýmom je glukóza-6-fosfatáza (nachádza sa v endoplazmatickom retikule bunky). Tento enzým umožňuje hydrolytické odštiepenie anorganického fosfátu z molekuly, čím vzniká glukóza. Tá je pomocou transportérov prenesená cez cytoplazmanickú membránu do krvi.
Energetická bilancia tvorby glukózy
Vytvoriť každú molekulu glukózy je pre bunku energeticky náročné. Preto tento proces prebieha v prípade, že máme dostatok energie – jej zdrojom je väčšinou β-oxidácia mastných kyselín.
Hneď na začiatku potrebujeme premeniť pyruvát na oxalacetát. Pri tom spotrebujeme 1 ATP, na tvorbu 1 molekuly glukózy však treba 2 pyruváty, to znamená celková spotreba = 2 ATP.
Z oxalacetátu je v ďalšom kroku nutné získať fosfoenolpyruvát, opäť spotrebujeme 1 ATP (v skutočnosti GTP, to je však ekvivalentné ATP). Stále platí, potrebujeme 2 oxalacetáty na vytvorenie glukózy = spotreba celkovo 2 ATP (GTP).
Už len na to, aby sme vytvorili prvý produkt, minie bunka 4 molekuly ATP.
Nasledujú vratné reakcie, v ktorých energia nevzniká, ani nezaniká. Výnimkou je premena 3-fosfoglycerátu na 1,3-bisfosfoglycerát, kde je potrebné dodať energiu. Na dve molekuly je celková spotreba opäť 2 ATP.
Na tvorbu glukózy z pyruvátu sme spotrebovali celkovo 6 ATP. Pre porovnanie, zisk glykolýzy (glukóza → pyruvát) je 2 ATP.
Princíp nízkosacharidovej diéty
Už vieme, že vytvoriť glukózu je energeticky náročné. To využíva nízkosacharidová diéta na zníženie hmotnosti. Spočíva v tom, že človek prijíma v potrave malé množstvo sacharidov a vyšší podiel proteínov.
Dôsledkom je zníženie hladiny glukózy v krvi – klesá glykémia. Telo túto zmenu registruje a odpoveďou je zvýšená hladina glukagónu. Jeho úlohou je hladinu glukózy zvýšiť, aby sa udržala na konštantnej úrovni. To znamená, že stimuluje glukoneogenézu. Zároveň podporuje štiepenie triacylglycerolov v tukovom tkanive a produkty – mastné kyseliny, sa uvoľňujú do krvi. Keď prídu do pečene, bunky ich začnú rozkladať, čím získavajú energiu potrebnú pre syntézu glukózy.
Zdroj: prezentácia Glukoneogeneze, syntéza a odbourání glykogenu Ústavu biochémie Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)
