Глюконеогенез: общая характеристика
Глюконеогенез — процесс синтеза глюкозы из неуглеводных предшественников. Активируется при голодании, длительной физической нагрузке и в других ситуациях, требующих поддержания нормогликемии. Основной локализацией процесса является печень; цитозольно-митохондриальное распределение реакций обусловливает необходимость челночных механизмов переноса метаболитов.
Главные субстраты глюконеогенеза:
- Лактат — поступает из работающих мышц и эритроцитов, превращается в пируват;
- Пируват — центральный субстрат, через который идёт большинство путей;
- Глицерол — вступает на уровне дигидроксиацетонфосфата через глицерол-3-фосфат;
- Гликогенные аминокислоты — аланин, глицин, серин, триптофан включаются через пируват; аспартат и аспарагин — через оксалоацетат; ряд других — через промежуточные продукты ЦТК.
Четыре необратимые реакции
Глюконеогенез повторяет гликолиз в обратном направлении, но обходит три необратимые реакции гликолиза с помощью четырёх собственных ферментативных стадий:
- Пируват → оксалоацетат (пируваткарбоксилаза);
- Оксалоацетат → фосфоенолпируват (фосфоенолпируваткарбоксикиназа, ФЕПКК);
- Фруктозо-1,6-бисфосфат → фруктозо-6-фосфат (фруктозо-1,6-бисфосфатаза);
- Глюкозо-6-фосфат → глюкоза (глюкозо-6-фосфатаза).
Карбоксилирование пирувата и образование ФЕП
Реакция, катализируемая пируваткарбоксилазой, протекает в митохондриях. Фермент биотинзависимый, использует энергию АТФ для присоединения СО₂ к пирувату с образованием оксалоацетата:
Пируват + СО₂ + АТФ → оксалоацетат + АДФ + Фн.
Поскольку дальнейшие реакции глюконеогенеза идут в цитоплазме, оксалоацетат должен быть выведен из митохондрии. Перенос осуществляется через малат-аспартатный челнок: оксалоацетат восстанавливается в малат либо трансаминируется в аспартат (с участием глутамата и α-кетоглутарата), после чего в цитозоле вновь превращается в оксалоацетат. Цитозольный оксалоацетат под действием ФЕПКК декарбоксилируется и фосфорилируется за счёт ГТФ, образуя фосфоенолпируват.
Дальнейшие шаги повторяют обратный гликолиз: ФЕП → 2-фосфоглицерат → 3-фосфоглицерат → 1,3-бисфосфоглицерат (с затратой АТФ) → глицеральдегид-3-фосфат (с использованием НАДН) → фруктозо-1,6-бисфосфат → фруктозо-6-фосфат → глюкозо-6-фосфат → глюкоза.
Цикл Кори
Цикл Кори обеспечивает межорганную утилизацию лактата, образующегося при анаэробном гликолизе в скелетных мышцах и эритроцитах. Реакция превращения пирувата в лактат катализируется лактатдегидрогеназой (ЛДГ) и направляется соотношением НАДН/НАД⁺:
- в работающей мышце — высокий уровень НАДН сдвигает ЛДГ-реакцию в сторону лактата;
- в печени, где достаточно кислорода и НАД⁺, реакция идёт в сторону пирувата.
Образованный в печени пируват вступает в глюконеогенез, синтезированная глюкоза с током крови возвращается в мышцы — цикл замыкается.
Влияние этанола на глюконеогенез
Окисление этанола в печени включает две дегидрогеназные реакции: алкогольдегидрогеназа превращает этанол в ацетальдегид, ацетальдегиддегидрогеназа — ацетальдегид в ацетат. Обе используют НАД⁺ и резко повышают концентрацию НАДН. Далее ацетил-КоА-синтетаза при затрате АТФ превращает ацетат в ацетил-КоА.
Накопление НАДН смещает ЛДГ-реакцию в сторону образования лактата, уменьшая пул пирувата, доступного для глюконеогенеза. Поэтому этанол ингибирует глюконеогенез, что у истощённых пациентов и хронических алкоголиков может приводить к алкогольной гипогликемической коме.
Регуляция: субстратные циклы
Гликолиз и глюконеогенез реципрокно регулируются на уровне трёх субстратных циклов:
- Глюкоза ⇄ глюкозо-6-фосфат — регулируется концентрацией глюкозы. Глюкокиназа печени не ингибируется продуктом, поэтому при гипергликемии преобладает гликолиз, при гипогликемии активна глюкозо-6-фосфатаза.
- Фруктозо-6-фосфат ⇄ фруктозо-1,6-бисфосфат — ключевой и наиболее сложно регулируемый цикл; ферменты — фосфофруктокиназа-1 (ФФК-1) и фруктозо-1,6-бисфосфатаза.
- Пируват ⇄ ФЕП через оксалоацетат — регулируется активностью пируваткиназы, пируваткарбоксилазы и ФЕПКК.
Гормональная регуляция через фруктозо-2,6-бисфосфат
Главный аллостерический регулятор второго цикла — фруктозо-2,6-бисфосфат. Он активирует ФФК-1 и одновременно ингибирует фруктозо-1,6-бисфосфатазу, направляя метаболизм в сторону гликолиза. Его уровень контролируется бифункциональным ферментом, обладающим киназной и фосфатазной активностями в зависимости от состояния фосфорилирования.
- Инсулин активирует фосфопротеинфосфатазу, которая дефосфорилирует бифункциональный фермент. В дефосфорилированной форме он работает как киназа: образуется фруктозо-2,6-бисфосфат → активация ФФК-1 → гликолиз.
- Глюкагон через аденилатциклазную систему активирует протеинкиназу А, которая фосфорилирует бифункциональный фермент. В фосфорилированной форме он работает как фосфатаза: уровень фруктозо-2,6-бисфосфата падает, блок с фруктозо-1,6-бисфосфатазы снимается → глюконеогенез.
Аналогично через протеинкиназу А глюкагон фосфорилирует и инактивирует пируваткиназу, дополнительно блокируя гликолиз. Кортизол индуцирует синтез ключевых ферментов глюконеогенеза — ФЕПКК, фруктозо-1,6-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы. Инсулин, напротив, индуцирует глюкокиназу и ФФК-1.
Уровни регуляции глюконеогенеза
Регуляция реализуется на трёх концептуальных уровнях:
- Ковалентная модификация — фосфорилирование/дефосфорилирование ключевых ферментов под действием инсулина и глюкагона;
- Аллостерическая регуляция — действие фруктозо-2,6-бисфосфата, ацетил-КоА (активатор пируваткарбоксилазы), АТФ, АМФ, цитрата;
- Индукция и репрессия синтеза ферментов — длительная регуляция кортизолом, инсулином, глюкагоном.
Ключевые моменты
- Глюконеогенез — печёночный синтез глюкозы из лактата, пирувата, глицерола и гликогенных аминокислот; активируется при голодании и нагрузке.
- Четыре необратимые реакции катализируют пируваткарбоксилаза, ФЕПКК, фруктозо-1,6-бисфосфатаза и глюкозо-6-фосфатаза.
- Пируваткарбоксилаза — биотинзависимый митохондриальный фермент; перенос оксалоацетата в цитозоль идёт через малат-аспартатный челнок.
- Цикл Кори связывает анаэробный гликолиз мышц с печёночным глюконеогенезом через лактат.
- Этанол повышает НАДН, смещает ЛДГ-реакцию к лактату и тормозит глюконеогенез, что может вызвать гипогликемическую кому.
- Ключевой регулятор — фруктозо-2,6-бисфосфат, синтез которого контролируется бифункциональным ферментом.
- Инсулин (через фосфопротеинфосфатазу) стимулирует гликолиз; глюкагон (через протеинкиназу А) — глюконеогенез.
- Регуляция реализуется через ковалентную модификацию, аллостерию и индукцию/репрессию ферментов.