Глюконеогене́з — метаболічний шлях утворення глюкози з нецукрових вуглецевих субстратів, таких як піруват, молочна кислота, гліцерин і глюкогенні амінокислоти. Глюкоза займає центральну роль в метаболізмі всіх організмів, від бактерій до людини, вона є універсальним джерелом енергії та будівельним блоком для синтезу багатьох речовин. Деякі органи людини використовують глюкозу як єдиний або основний енергетичний субстрат, наприклад мозок, еритроцити, кора нирок, яєчка, ембріональні тканини. Один тільки головний мозок потребує близько 120 г глюкози в день, тобто більше половини всієї глюкози, що зберігається у формі глікогену у скелетних м'язах та печінці. В періоди між прийомами їжі, довшого голодування або інтенсивних фізичних навантажень запас глюкози може вичерпуватись, тому існує метаболічний шлях глюконеогенезу, що забезпечує її утворення із невуглеводневих попередників, таких як піруват та близькі три- або чотирикарбонові сполуки. Глюконеогенез є енергозатратним процесом.
Метаболічний шлях глюконеогенезу присутній у представників всіх основних груп живої природи: бактерій, архебактерій, рослин, грибів і тварин. Реакції глюконеогенезу однакові у всіх організмів у всіх тканинах, проте може відрізнятись його метаболічний контекст.
Глюконеогенез забезпечує синтез глюкози із пірувату, а гліколіз навпаки — розщеплення глюкози до пірувату, проте глюконеогенез не є оберненою копією гліколізу, хоча багато реакцій (сім із десяти) є спільними для обидвох шляхів. Три реакції гліколізу дуже екзергонічними (тобто мають велику негативну зміну вільної енергії) і незворотні у живих клітинах: перетворення глюкози до глюкозо-6-фосфату, перетворення фруктозо-6-фосфату до фруктозо-1,6-бісфосфату та перетворення фосфоенолпірувату (ФЕП) до пірувату (див. гліколіз). У глюконеогенезі є обхідні шляхи (шунти) для цих реакцій, які також мають велику негативну зміну вільної енергії. Таким чином обидва шляхи — і гліколіз, і глюконеогенез — є незворотніми у клітині.
Локалізація і значення Глюконеогенез відбувається у клітинах бактерій, архебактерій, грибів, рослин і тварин. Як і гліколіз, майже всі перетворення глюконеогенезу локалізується у цитоплазмі, проте в еукаріот перша реакція цього шляху відбувається у мітохондріях.
У тварин найважливішими попередниками глюкози є тривуглецеві сполуки, такі як піруват, лактат, гліцерол та деякі амінокислоти. У ссавців глюконеогенез найбільш інтенсивно протікає у печінці, а також деякою мірою у кірковому шарі нирок та епітелії тонкої кишки. За добу в організмі людини синтезується до 80 г глюкози. Після фізичних навантажень молочна кислота утворена в скелетних м'язах переноситься кров'ю до печінки, де перетворюється у глюкозу, яка транспортується назад у м'язи і слугує там субстратом для синтезу глікогену. Цей метаболічний шлях отримав назву цикл Корі. Глюконеогенез відіграє особливе значення під час голодування, так методом ізотопного мічення було показано що на 22 годину утримання від вживання їжі він забезпечує утворення 64 % всієї глюкози в крові, а на 46 годину ця цифра наближається до 100 %.
Глюконеогенез також інтенсивно відбувається у насінні, яке проростає, і є частиною шляху, що перетворює запасні ліпіди та білки у дисахариди (переважно сахарозу), які можуть транспортуватись у всі тканини молодої рослини. Також фотоавтотрофам глюконеогенез потрібний для перетворення первинних продуктів фотосинтезу до глюкози. Остання необхідна рослинам для синтезу клітинної стінки та як попередник нуклеотидів, коферментів та багатьох інших речовин.
Багато мікроорганізмів починають глюконеогенез із двокарбонових та трикарбонових сполук, наявних у середовищі, де вони живуть, таких як ацетат, лактат, пропіонат.
Реакції глюконеогенезу Сім реакцій глюконеогенезу є оберненими до реакцій гліколізу. Енергетичний бар'єр трьох незворотних гліколітичних реакцій долається у глюконеогенезі обхідними шляхами, до них належать: синтез фосфоенолпірувату із пірувату, перетворення фруктозо-1,6-бісфосфату у фруктозо-6-фосфат та перетворення глюкозо-6-фосфату до глюкози. Така організація протилежних метаболічних шляхів не тільки дозволяє їм обидвом бути термодинамічно вигідними за однакових умов, а й дає можливість для їх роздільної регуляції.
Синтез фосфоенолпірувату із пірувату Остання реакція гліколізу — перетворення фосфоенолпірувату у піруват із одночасним фосфорилюванням АДФ — має велику негативну зміну вільної енергії і тому є незворотною. В глюконеогенезі протилежне перетворення (пірувату у фосфсфоенолпіруват) відбувається обхідним шляхом, що складається як мінімум із двох реакцій, і в еукаріот потребує ферментів як мітохондрій так і цитоплазми. Протікання цієї стадії відрізняється в залежності від того піруват чи лактат є попередником у синтезі глюкози.
Піруват спершу перетворюється до оксалоацетату вналслідок карбоксилювання піруваткарбоксилазою. Цей фермент використовує біотин як кофермент, реакція супроводжується гідролізом однієї молекули АТФ. Біотин виступає носієм бікарбонату, що попередньо активується шляхом утворення змішаного ангідриду (карбоксифосфату) внаслідок перенесення фосфатної групи із АТФ. Рівняння реакції: Піруват + АТФ + HCO → оксалоацетат + АДФ + Фн; Реакція карбоксилювання необхідна для метаболічної активації пірувату.
Наступна реакція — одночасне декарбоксилювання та фосфорилювання оксалоацетату — каталізується ферментом фосфоенолпіруваткарбоксикіназою, що потребує присутності іонів Mg2+ та ГТФ як донора фосфатної групи. Продуктом цієї реакції є фосфоенолпіруват, вона зворотна за клітинних умов. Оксалоацетат + ГТФ → фосфоенолпіруват + ГДФ + CO2; Сумарне рівняння процесу: Піруват + АТФ + ГТФ + HCO → Фосфоенолпіруват + АДФ + ГДФ + Фн + CO2, ΔG0= 0,9 кДж/моль. Таким чином для перетворення пірувату до фосфоенолпірувату необхідний гідроліз двох молекул нуклеотидтрифосфатів, тоді як протилежний процес у гліколізі дозволяє синтезувати тільки одну молекулу АТФ. Хоча стандартна зміна вільної енергії для сумарного процесу становить 0,9 кДж/моль, в реальних умовах завдяки дуже низькій концентрації фосфоенолпірувату ΔG = −25 кДж/моль, тобто перетворення є сильно екзергонічним і незворотним.
Човниковий транспорт оксалоацетату
Утворення оксалоацетату є так званою анаплеротичною реакцією циклу трикарбонових кислот, тобто такою, що підтримує достатній рівень його метаболітів. Тому, як і сам ЦТК, вона відбувається у матриксі мітохондрій, піруваткарбоксилаза є виключно мітохондріальним ферментом в еукаріот. Натомість локалізація ФЕП-карбоксикінази відрізняється у різних організмів: у печінці мишей та пацюків вона міститься тільки в цитозолі, у кролів та голубів — тільки в мітохондріях, а в людини та морських свинок приблизно порівну розподілена між двома компартментами. Решта ж ферментів глюконеогенезу є цитозольними, таким чином для проходження цього метаболічного шляху оксалоацетат або фосфоенолпіруват повинні транспортуватись із мітохондрій у цитоплазму. Конкретний механізм транспорту залежить від організму та речовини, що виступає попередником у синтезі глюкози.
Якщо попередником є піруват, то використовується переважно малатний шлях транспорту. Піровиноградна кислота переноситься до матриксу мітохондрій або утворюється там із амінокислоти аланіну в реакції переамінування, тут відбувається карбоксилазна реакція. Утворений оксалоацетат не може бути транспортований до цитзолю, через те, що внутрішня мембрана мітохондрій не має для нього транспортера. Тому оксалоацетат відновлюється малатдегідрогеназою до малату за рахунок перенесення гідрид іона із НАДH. Попри те, що стандартна зміна вільної енергії для цієї реакції досить висока, за умов характерних для матриксу мітохондрій (зокрема високої концентрації оксалоацетату), вона є оборотною (ΔG~0). Утворений L-малат покидає мітохондрії за посередництва спеціального переносника і в цитоплазмі знову окиснюється до оксалоацетату. Останній перетворюється до ФЕП. Цей шлях забезпечує експорт у цитозоль не тільки оксалоацетату а й відновних еквівалентів НАДН, необхідних для протікання глюконеогензу (відновлення 1,3-бісфосфогіцерату до гліцеральдегід-3-фосфату). В цитоплазмі співвідношення НАДН/НАД+ становить близько 8×10−4 і є в сто тисяч раз меншим ніж у мітохондріях. Утворення малату у матриксі мітохондрій, його транспорт у цитоплазму і дегідрогенізація забезпечує баланс між утвореним та використаним НАДН у цитоплазмі під час глюконеогенезу.
Дещо відрізняється початок глюконеогенезу в тому випадку, коли субстратом для синтезу глюкози слугує лактат (утворений в еритроцитах або скелетних м'язах під час інтенсивних навантажень). В такому разі молочна кислота дегідрогенізується у цитоплазмі, ця реакція є джерелом НАДН, а отже нема потреби у перенесенні відновних еквівалентів у вигляді малату із мітохондрій. Утворений піруват транспортується до мітохондрій, де є субстратом для піруваткарбоксилази. Після цього оксалоацетат відразу ж у матриксі підлягає декарбоксилюванню та фосфорилюванню завдяки мітохондріальній фосфоенолпіруваткарбоксикіназі. Утворений фосфоенолпіруват покидає мітохондрії.
Існує ще один шлях, що не передбачає перенесення НАДН — аспартатний. У цьому випадку оксалоацетат у матриксі вступає в реакцію переамінування з амінокислотами катлізовану аспартатамінотрансферазою. Внаслідок цього він перетворюється в аспартат, який транспортується в цитозоль. Там знову відбувається переамінування за участі аспартатамінотрасферази, внаслідок чого утворюється оксалоацетат. Цей шлях також використовується тоді, коли попередником у глюконеогенезі є молочна кислота, зокрема організмами що не містять мітохондріальної ФЕП-каброксикінази.
Фосфорилазні реакції глюконеогенезу Дві інші незворотні стадії гліколізу — кіназні реакції: фосфорилювання фруктозо-6-фосфату та глюкози із використанням АТФ. Обернені реакції вимагали би перенесення фосфатної групи із фосфорильованих моносахаридів назад на АДФ, проте в глюконеогенезі цього не відбувається, відповідні перетворення натомість каталізуються іншими ензимами — фосфатазами (фруктозо-1,6-бісфосфатазою (ФБФ-1) та глюкозо-6-фосфатазою). Фосфатазні реакції — це простий гідроліз, продуктом якого є фосфатна кислота: Фруктозо-1,6-бісфосфат + H2O → фруктозо-6-фосфат + Фн; Глюкозо-6-фосфат + H2O → глюкоза + Фн. Обидва ферменти є магній-залежними. Глюкозо-6-фосфатаза відсутня у більшості тканин, тому глюконеогенез в них завершується формуванням глюкозо-6-фосфату, який може бути використаний для синтезу глікогену або участі в інших метаболічних шляхах. Такі тканини не здатні поповнювати рівень глюкози в крові, оскільки глюкозо-6-фосфат не може транспортуватись плазматичною мембраною. Глюкозо-6-фосфатаза присутня у гепатоцитах, та, в меншій мірі, в клітинах печінки та епітелію тонкої кишки. Локалізується вона у порожнині ендоплазматичного ретикулуму, куди спеціальним переносником транспортується глюкозо-6-фосфат, а пізніше іншим транспортним білком викачується глюкоза і фосфат.
Енергетичні затрати глюконеогенезу Формування глюкози із пірувату є термодинамічно невигідним процесом, тому воно повинне бути спряжене із екзергонічними реакціями, а саме гідролізом нуклеотидтрифосфатів. Сумарне рівняння глюконеогенезу, у випадку, коли вихідною речовиною виступає піруват, має такий вигляд: 2 Піруват + 4АТФ + 2ГТФ + 2НАДН(H+) + 4H2O → глюкоза + 4АДФ + 2ГТФ + 6Фн + 2НАД+; Отже для утворення однієї молекули глюкози необхідна енергія шести високоенергетичних фосфатних груп (чотирьох від АТФ та двох від ГТФ). Також в цьому процесі використовуються дві молекули НАДН для відновлення 1,3-бісфосфогліцерату.
Для порівняння сумарне рівняння гліколізу: Глюкоза + 2АДФ + 2Фр + НАД+ → 2 піруват + 2АТФ + 2H2O + НАДН(H+);