Glukoneogeneza

Question 1

Što je glukoneogeneza?

Answer 1

Glukoneogeneza je anabolički proces kojim se iz neugljikohidratnih preteča sintetizira glukoza. Put glukoneogeneze je velikim dijelom obrat glikolize, tj. većina rekacija glukoneogeneze su reverzibilne reakcije glikolize katalizirane istim setom enzima, no glukoneogeneza ipak nije potpuni obrat glikolize. (zobg irverzibilnih reakcije glikolize..)

Question 2

Što omogućuje glukoneogeneza?

Answer 2

Omogućuje da se molekule nekih hranjivih tvari, koje se ne mogu skladištiti u stanici u izvornom obliku, u uvjetima kada stanica ima dovoljno energije prevedu u glukozu koja se može skladištiti u formi glikogena.

Question 3

Koje molekule se mogu uključiti u proces glukoneogeneze?

Answer 3

Osnovni supstrat glukoneogeneze je piruvat. Osim piruvata u glukoneogenezu mogu se uključiti razgradni produkti nekih aminokiselina, glicerol (dobiven razgradnjom masti) i laktat (nastao tijekom intenzivnog mišićnog rada ili mliječnom fermentacijom).

Question 4

Što je potrebno da bi odvijanje glukoneogeneze bilo termodinamički moguće?

Answer 4

Da bi odvijanje glukoneogeneze bilo termodinamički moguće ireverzibilne reakcije glikolize su u glukoneogenezi zamjenjene novim
reakcijama. Tako je obrat reakcije koju u glikolizi katalizira heksokinaza u glukoneogenezi kataliziran glukoza-6-fosfatazom, obrat rekacije koju u glikolizi katalizira fosfofruktokinaza je kataliziran fruktoza-1,6-bisfosfatazom, a obrat reakcije pretvorbe fosfoenolpiruvata u piruvat koju u glikolizi katalizira piruvat kinaza je u glukoneogenezi kataliziran sa čak dva enzima – piruvat karboksilazom i fosfoenolpiruvat karboksikinazom.
Na taj način su reakcije glikolize čiji je obrat termodinamički nemoguć zamjenjene novim reakcijama koje su termodinamički moguće i rezultiraju ukupno negativnom vrijednošću ΔG puta glukoneogeneze, tj. omogućuju njeno spontano odvijanje.

Question 5

Koja je prva reakcije glukoneogeneze? Opiši ju te ju nacrtaj (i mehanizam).

Answer 5

Glukoneogeneza počinje karboksilacijom piruvata u oksaloacetat uz utrošak energije ATPa. Ova reakcija se odvija u mitohondriju, a katalizira ju enzim piruvat karboksilaza. Piruvat karboksilaza ima prostetsku skupinu biotin. Biotin je prostetska skupina brojnih enzima koji kataliziraju reakcije karboksilacije i ima ulogu nosača aktiviranog CO2. U prvom stupnju ove reakcije (reakcija aktivacije CO2) dolazi do nukleofilnog napada HCO3- na vanjski fosfat molekule ATP-a. Pri tome dolazi do pucanja anhidridne veze između dviju fosfatnih grupa ATP-a i nastajanja nove anhidridne veze u molekuli karboksifosfata. Energija anhidridne veze ATP-a je na taj način prenesena i pohranjena u anhidridnoj vezi karboksifosfata, a ovako aktivirani CO2 se u sljedećem stupnju reakcije veže na biotin. Time nastaje karboksibiotin u kojem je CO2 vezan na biotin visokoenergetskom vezom. Pomakom pokretljivog biotinskog lanca se zatim aktivirani CO2 premješta u dio aktivnog mjesta enzima u kojem dolazi do karboksilacije piruvata u oksaloacetat. Za nastajanje nove
kovalentne veze između dva C atoma u sintetiziranoj molekuli oksaloacetata koristi se energija sačuvana u vezi CO2 –biotin, koja se oslobađa dekarboksilacijom biotina. Nakon prijenosa aktiviranog CO2 na piruvat, biotin je regeneriran i može ući u sljedeći krug reakcije.

Question 6

Kako je biotin vezan za enzim i što mu to omogućuje?

Answer 6

Biotin je na enzim vezan amidnom vezom na pobočni ogranak specifičnog lizinskog ostatka enzima. Vezanje biotina za enzim preko lizinskog ostatka rezultira dugačkim savitljivim lancem koji omogućuje veliku pokretljivost biotinskog prstena.

Question 7

Što je biotin?

Answer 7

Biotin je prostetska skupina brojnih enzima koji kataliziraju reakcije karboksilacije i ima ulogu nosača aktiviranog CO2.

Question 8

Kada se odvija reakcija aktivacije CO2?

Answer 8

Reakcija aktivacije CO2 se odvija isključivo kada je na odgovarajuću regulatornu regiju piruvat karboksilaze vezan acetil-CoA, što će biti ostvareno samo ako je u stanici dovoljno visoka koncentracija acetil-CoA.

Question 9

Objasni način na koji može nastati visoka koncentracija acetil-CoA u stanici u slučaju kada stanica ima dovoljno energije.

Answer 9

Prvi slučaj je da stanica ima dovoljno energije pa su inhibirani enzimi citratnog ciklusa. U ovom slučaju koncentracija acetil-CoA raste jer je citratni ciklus jako usporen pa acetil-CoA vrlo sporo ulazi u reakciju koju katalizira citrat sintaza. Citratni ciklus je u takvim uvjetima usporen djelovanjem visoke koncentracije alosteričkih inhibitora ATP-a i NADH, koji također djeluju kao alosterički inhibitori komponenata kompleksa piruvat dehidrogenaze. Ujedno ATP, NADH i acetilCoA djeluju i kao alosterički aktivatori specifične protein kinaze koja tada reverzibilnom
kovalentnom preinakom inaktivira E1 komponentu kompleksa piruvat dehidrogenaze. Posljedica će biti usporena sinteza novih molekula acetil-CoA iz piruvata pa će rasti i koncentracija piruvata. Piruvat se tada karboksilira u oksaloacetat reakcijom koju katalizira piruvat karboksilaza te se uključuje u proces glukoneogeneze.

Question 10

Objasni način na koji može nastati visoka koncentracija acetil-CoA u stanici u slučaju kada stanica nema dovoljno energije.

Answer 10

Drugi slučaj u kojem dolazi do nakupljanja acetil-CoA je kada stanica nema dovoljno energije, a brzine odvijanja glikolize i razgradnje masnih kiselina i aminokiselina su znatno veće od brzine odvijanja citratnog ciklusa zbog ograničene količine raspoloživog oksaloacetata u citratnom ciklusu. Količina oksaloacetata koji kruži citratnim ciklusom može biti dodatno smanjena uslijed odvijanja anaboličkih reakcija u koje se odvode
međuprodukti citratnog ciklusa kada stanica ima dovoljno energije. U ovoj situaciji će doći do nakupljanja acetil-CoA, unatoč niskoj razini energije u stanici, zbog nedostatka oksaloacetata sa kojim se acetilna jedinica mora kondenzirati u citrat kako bi se uključila u citratni ciklus. Nakupljanje acetil-CoA će tada aktivirati piruvat karboksilazu i doći će do pretvorbe piruvata u oksaloacetat. Međutim, u ovom slučaju će se sintetizirani oksaloacetat koristiti kao nadopuna citratnom ciklusu kako bi se ubrzalo njegovo odvijanje i omogućila proizvodnja energije potrebne stanici. Zbog toga se reakcija koju katalizira piruvat karboksilaza naziva i anaplerotskom reakcijom (nadopunjujućom reakcijom).

Question 11

Kako se regulira usmjeravanje oksaloacetata koji nastaje u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza u glukoneogenezu ili citratni ciklus?

Answer 11

Usmjeravanje oksaloacetata, koji nastaje u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza, u glukoneogenezu ili u citratni ciklus odvija se putem regulacije aktivnosti enzima koji kataliziraju reakciju u koju se oksaloacetat treba uključiti u jednom odnosno drugom slučaju.

Question 12

Objasni usmjeravanje oksaloacetata u reakcije citratnog ciklusa odnosno gluoneogeneze.

Answer 12

Za usmjeravanje oksaloacetata u citratni ciklus mora biti aktivna citrat sintaza, a reakcija koju katalizira malat dehidrogenaza se mora odvijati u smjeru oksidacije malata u oksaloacetat. Citrat sintaza će u uvjetima niske energetske razine u stanici biti aktivna, a malat dehidrogenaza će
katalizirati reakciju u smjeru oksidacije malata u oksaloacetat jer su niske koncentracije NADH i oksaloacetata, a visoka koncentracija NAD+. Nasuprot tome kada je razina energije u stanici visoka, tj. visoke su koncentracije ATP-a i NADH, citrat sintaza će biti inhibirana ATP-om, dok će se reakcija koju katalizira malat dehidrogenaza odvijati u smjeru redukcije oksaloacetata u malat jer su visoke koncentracije NADH i oksaloacetata (inhibirana citrat sintaza ne troši oksaloacetat koji nastaje djelovanjem piruvat karboksilaze), a niske koncentracije malata i NAD+.
U ovakvim uvjetima će malat koji nastane redukcijom oksaloacetata biti dalje upućen u obrat reakcija citratnog ciklusa, budući da su reakcije citratnog ciklusa od malata do sukcinil-CoA reverzibilne i smjer njihovog odvijanja ovisi o koncentracijama reaktanata i produkata. Kada je u stanici visoka razina energije početni dio citratnog ciklusa (od acetil-CoA do α-ketoglutarata) je usporen, a reakcije drugog dijela ciklusa su usmjerene od oksaloacetata prema sukcinil-CoA jer su visoke razine reduciranih koenzima (NADH, FADH2), GTP-a i oksaloacetata. Ukoliko su potrebe anaboličkih procesa stanice za sukcinil-CoA (potreban za sintezu porfirina, hema, klorofila) i oksaloacetatom (potreban za sintezu nekih aminokiselina i purinskih i pirimidinskih baza) zadovoljene doći će do nakupljanja međuprodukata drugog dijela ciklusa, pa tako i malata. Nakupljanje malata će rezultirati njegovim transportom u citosol i uključivanjem u proces glukoneogeneze. Ukoliko je koncentracija malata niska (što je slučaj kada stanica nema dovoljno energije ili kada stanica ima energije, ali su potrebni ostali anabolički prekursori), malat se ne može transportirati iz mitohondrija i uključiti u glukoneogenezu.

Question 13

Što slijedi nakon što se oksaloacetat usmjeri u proces glukoneogeneze u obliku malata? Opiši i nacrtaj reakciju.

Answer 13

Nakon transporta malata u citosol, malat se ponovno oksidira u oksaloacetat, uz redukciju NAD+ u NADH. Ovu reakciju katalizira citosolna malat dehidrogenaza. Oksaloacetat se u sljedećoj reakciji dekarboksilira i fosforilira u fosfoenolpiruvat pri čemu je donor energije i Pi za odvijanje ove reakcije GTP. Reakciju katalizira enzim fosfoenolpiruvat karboksikinaza. U prvom stupnju reakcije se oksaloacetat dekarboksilira, čime nastaje nestabilna enolna forma piruvata. Energija potrebna za nastajanje ovog nestabilnog međuprodukta se dobija dekarboksilacijom oksaloacetata, a u stvari potječe od energije ATP-a koja je uložena u
prethodnoj reakciji karboksilacije piruvata u oksaloacetat (u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza). Nestabilni enolni izomer piruvata zatim nukleofilno napada krajnju fosfatnu grupu GTP-a i nastaju fosfoenolpiruvat i GDP. Fosfoenolpiruvat je stabiliziran vezanjem fosfatne grupe esterskom vezom na enolatni međuprodukt.

Question 14

Što je bitno kod reakcije oksidacije malata u oksaloacetat koju katalizira citosolna malat dehidrogenaza i zašto?

Answer 14

Dobivanje reduciranog koenzima NADH u ovoj reakciji je važno za odvijanje glukoneogeneze, budući da je citosolni NADH neophodan za odvijanje obrata reakcije koju katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza (redukcija i defosforilacija 1,3-bisfosfoglicerata u gliceraldehid-3-fosfat). Naime, koncentracije NADH su u citosolu niske budući da se citosolni NADH dobija u kataboličkim reakcijama koje se odvijaju kada stanica nema dovoljno energije. U takvim se uvjetima NADH odmah oksidira, a njegovi elektroni šalju putem ˝shuttlova˝ u oksidacijsku fosforilaciju za dobivanje energije. Stoga je za odvijanje glukoneogeneze potrebno osigurati NADH u citosolu.

Question 15

Koliko se visokoenergetskih veza potroši za obrat reakcije koju u glikolizi katalizira piruvat kinaza?

Answer 15

Ukupno se za pretvorbu piruvata u fosfoenolpiruvat, dakle obrat reakcije katalizirane piruvat kinazom u procesu glikolize, potroši energija dviju
visokoenergetskih veza – jedne iz ATP-a (u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza) i jedne iz GTP-a (u reakciji koju katalizira fosfoenolpiruvat karboksikinaza).

Question 16

Kakve su reakcije glukoneogeneze od fosfoenolpiruvata do fruktoza-1,6-bisfosfata?

Answer 16

Daljnje reakcije glukoneogeneze, od fosfoenolpiruvata do fruktoza-1,6-bisfosfata, su reverzibilne reakcije glikolize koje kataliziraju isti enzimi kao i u glikolizi.

Question 17

Gdje se glukoneogeneza najčešće zaustavlja i zašto?

Answer 17

Glukoneogeneza se najčešće zaustavlja kod glukoza-6-fosfata, jer
je za ugradnju glukoze u glikogen ili za njeno uključivanje u put pentoza fosfata potrebna fosforilirana glukoza. Na taj način stanica smanjuje utrošak energije, budući da nije potrebna ponovna fosforilacije glukoze uz utrošak ATP-a da bi se glukoza uključila u ove procese. Nadalje, na taj se način osigurava da će glukoza-6-fosfat ostati u stanici, budući da transportni protein za glukozu (koji prenosi glukozu kroz staničnu membranu) ne može vezati i transportirati fosforiliranu glukozu van iz stanice.

Question 18

Koje su preostale dvije specifične reakcije glukoneogeneze osim pretvorba piruvata u fosfoenolpiruvat?

Answer 18

Preostale dvije specifične reakcije glukoneogeneze su hidroliza fruktoza-1,6-bisfosfata na fruktozu-6-fosfat i Pi, te hidroliza glukoza-6-fosfata na glukozu i Pi. Ove reakcije kataliziraju enzimi fruktoza-1,6-bisfosfataza i glukoza-6-fosfataza.

Question 19

Kako se osigurava zaustavljanje glukoneogeneze nakon nastajanja glukoza-6-fosfata?

Answer 19

Zaustavljanje glukoneogeneze nakon nastajanja glukoza-6-fosfata se osigurava time što je enzim glukoza-6-fosfataza smješten u membrani endoplazmatkog retikuluma (ER) i povezan sa dodatnim stabilizirajućim proteinom, a aktivno mjesto enzima je okrenuto prema lumenu ER. Stoga se glukoza-6-fosfat da bi se defosforilirala mora unjeti u ER posebnim transportnim proteinom. Nakon završetka reakcije defosforilacije dobivena glukoza i fosfatna grupa se moraju transportirati natrag u citosol pomoću dva različita transportna proteina smještena u membrani ER. Dakle, za reakciju defosforilacije glukoza-6-fosfata je potrebna aktivnost ukupno 5 različitih proteina.

Question 20

Kako se laktat uključuje u glukoneogenezu? Zašto je ovaj put specifičan?

Answer 20

Laktat se u proces glukoneogeneze uključuje tako da se u citosolu oksidira u piruvat u reakciji koju katalizira laktat dehidrogenaza, pri čemu se dobija citosolni NADH potreban za redukciju 1,3-bisfosfoglicerata u reakciji koju katalizira gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza. Piruvat se zatim transportira u mitohondrij gdje se karboksilira u oksaloacetat. Budući da je u prethodnoj reakciji osiguran citosolni NADH, oksaloacetat se u ovom slučaju odmah u mitohondriju dekarboksilira i fosforilira u fosfoenolpiruvat djelovanjem mitohondrijske fosfoenolpiruvat karboksikinaze, umjesto da se reducira u malat i transportira u citosol. Zbog toga je cijeli proces glukoneogeneze energetski povoljniji ukoliko se kao prekursor koristi laktat umjesto piruvata, jer se na ovaj način ne troši mitohondrijski NADH za redukciju oksaloacetata u malat, što je nužno kada glukoneogeneza kreće od piruvata. Za sintezu glukoze (6 C atoma) potrebno je u glukoneogenezu uključiti 2 molekule piruvata ili laktata (3 C atoma). Ukoliko proces kreće od piruvata treba utrošiti ukupno 5 ekvivalentata ATP-a više nego u slučaju kada sinteza kreće od laktata (2 mitohondrijska NADH potrošena za redukciju oksaloacetata u malat).

Question 21

Kako se glicerol uključuje u glukoneogenezu? Što je specifično za njega?

Answer 21

Drugi česti prekursor za sintezu glukoze je glicerol nastao razgradnjom masti. Glicerol se prvo fosforilira na račun ATP-a u reakciji koju katalizira glicerol kinaza, a nastali glicerol-3-fosfat se zatim oksidira u dihidroksiacetonfosfat uz redukciju NAD+ u NADH. Ovu reakciju katalizira
enzim glicerol-3-fosfat dehidrogenaza. Energetski gledano glicerol je najpovoljniji prekursor za sintezu glukoze procesom glukoneogeneze jer se za uključivanje 2 molekule glicerola u glukoneogenezu potroši 2 ATP-a, a dobije 2 citosolna NADH što je ekvivalentno energiji 3 ATP-a. Kako se u daljnim reakcijama glukoneogeneze tijekom sinteze glukoze iz dihidroksiacetonfosfata ne troši energija, ukupno se na ovaj način uz glukozu dobije i energija ekvivalentna jednom ATPu.

Question 22

Zašto je regulacija glikolize u glukoneogeneze bitna?

Answer 22

Glikoliza i glukoneogeneza su recipročno regulirani ciklusi, tako da ne mogu teći istovremeno. Ovakav način regulacije je važan jer bi u suprotnom slučaju, kada bi se ova dva ciklusa mogla odvijati istovremeno, stanica kontinuirano bespotrebno gubila energiju ATP-a. Naime, procesom glikolize se razgradnjom jedne molekule glukoze do dva piruvata dobiju 2 ATPa, dok se za sintezu jedne glukoze iz dva piruvata u procesu glukoneogeneze mora utrošiti 6 ATPa. Stoga bi se istovremenim odvijanjem ovih dvaju procesa kontinuirano trošilo po 4 ATP-a po ciklusu. Zbog toga se odvija recipročna regulacija aktivnosti i koncentracije ključnih enzima ovih dvaju ciklusa.

Question 23

Kako se regulira aktivnost i koncentracija enzima glukoneogeneze i glikolize u donosu jedno na drugo?

Answer 23

Glikoliza i glukoneogeneza su recipročno regulirani ciklusi, odvija recipročna regulacija aktivnosti i koncentracije ključnih enzima ovih dvaju ciklusa. Tako se aktivnost fosfofruktokinaze (koja katalizira reakciju fosforilacije fruktoza6-fosfata u fruktoza-1,6-bisfosfat) inhibira visokom koncentracijom citrata i ATP-a, a aktivira visokom koncentracijom fruktoza-2,6-bisfosfata i AMP-a. Nasuprot tome, fruktoza-1,6-bisfosfataza (koja katalizira reakciju hidrolize fruktoza-1,6-bisfosfata na fruktoza-6-fosfat i Pi) se aktivira visokom koncentracijom citrata, a inhibira visokom koncentracijom fruktoza-2,6-bisfosfata i AMP-a. Aktivnosti piruvat kinaze i para enzima piruvat karboksilaze i fosfoenolpiruvat karboksikinaze se također recipročno reguliraju tako da se aktivnost piruvat kinaze inhibira visokom koncentracijom ATP-a, dok se aktivnost piruvat karboksilaze i
fosfoenolpiruvat karboksikinaze inhibira visokom koncentacijom ADP-a. Nadalje, djelovanjem hormona glukagona i inzulina kontrolira se i koncentracija ključnih enzima glikolize i glukoneogeneze na nivou transkripcije gena koji kodiraju za ove enzime. Inzulinska hormonalna
kaskada potiče, a glukagonska kaskada inhibira transkripciju gena koji kodiraju za enzime glikolize fosfofruktokinazu i piruvat-kinazu te tandem enzim fosfofruktokinazu 2. Nasuprot tome glukagonska kaskada potiče, a inzulinska inhibira transkripciju gena koji kodiraju za enzime glukoneogeneze fosfoenolpiruvat karboksikinazu i fruktoza-1,6-bisfosfatazu. Sumarno gledano, kada stanici nedostaje energija teče glikoliza, a kada stanica ima dovoljno energije teče glukoneogeneza.

Question 24

Kako općenito koncentracija glukoze djeluje na sintezu enzima procesa glukoneogeneze i glikolize?

Answer 24

Koncentracija raspoložive glukoze djeluje tako da se pri niskoj koncentraciji glukoze potiče sinteza enzima glukoneogeneze, dok se pri visokoj koncentraciji glukoze potiče sinteza enzima glikolize.

Question 25

Kako visoka koncentracija acetil-CoA djeluje na glukoneogenezu ukratko?

Answer 25

Visoka koncentracija acetil-CoA djeluje inhibirajuće na kompleks piruvat dehidrogenaze što će usporiti ili zaustaviti daljnju sintezu acetilCoA, a piruvat usmjeriti u glukoneogenezu i anaboličke procese putem reakcije koju katalizira piruvat karboksilaza.

Question 26

Objasni karboksilaciju fosfoenolpiruvata u stanicama biljaka, bakterija i kvasca te u animalnim stanicama. Nacrtaj rekcije.

Answer 26

Oksaloacetat se u stanicama biljaka, bakterija i kvasaca može dobiti i karboksilacijom fosfoenolpiruvata u reakciji koju katalizira fosfoenolpiruvat karboksilaza. Karboksilaciju fosfoenolpiruvata u oksaloacetat u animalnim stanicama katalizira enzim fosfoenolpiruvat karboksikinaza. Fosfoenolpiruvat karboksikinaza na račun stabilizacije fosfoenolpiruvata u ovoj reakciji može provesti karboksilaciju fosfoenolpiruvata u oksaloacetat i fosforilaciju GDP-a u GTP, dok fosfoenolpiruvat karboksilaza nije toliko efikasna u iskorištavanju oslobođene energije pa dolazi samo do karboksilacije fosfoenolpiruvata u oksaloacetat bez fosforilacije GDP-a u GTP. Karboksilacija piruvata ili fosfoenolpiruvata u oksaloacetat može se koristiti i kao anaplerotska reakcija za citratni ciklus u uvjetima kada stanica nema dovoljno energije.