Syntese av glukose Anabole reaksjonsveier Glukoneogenese Syntese av glukose Anabole reaksjonsveier Winnie Eskild, IMBV 2004

Glukoneogenesen Glukoneogenesen er en reaksjonsvei som produserer glukose ut fra enkle trekarbonatom metabolismeintermediater Pyruvat, laktat, glyserol, -ketosyrer Foregår i alle dyr, planter, sopp og mikroorganismer I dyr er leveren hovedsete for glukoneogenese, noe foregår i nyrebark Biomolekyler som kan omdannes til glukose kalles glukogene forbindelser Alle sitronsyresyklusintermediater kan omdannes til glukose via oksaloacetat De fleste aminosyrers karbonskjelett omdannes til glukose via SSS. Alanin (pyruvat) og glutamin/glutamat (-ketoglutarat) er kvantitativt viktigere fordi disse finnes i høyere konsentrasjoner enn andre aminosyrer

Glukogene forbindelser

Glukoneogenesen I motsetning til planter kan ikke dyr omdanne vanlige fettsyrer til glukose Årsaken er at det ikke dannes noe nettoprodukt når acetyl-CoA sendes inn i sitronsyresyklusen Plantenes glyoksylatsyklus fører til nettodannelse av succinat som lett omdannes til glukose Fettsyrenedbrytning gir viktige bidrag til glykoneogenesen i form av ATP og NADH

Glyoksylat syklus

Glukoneogenesen Organismen er helt avhengig av tilgang på glukose fordi sentrale funksjoner i kroppen ikke klarer seg med andre energisubstrater Organer som bruker glukose som hovedenergikilde: hjernen, nervesystemet, nyrene, testikler, røde blodceller, embryonale vev Hjernen forbruker 120 g glukose pr dag

Glukoneogenesen Omdannelse av karbon-forbindelser (pyruvat) til glukose Prinsipielt samme reaksjonsvei i alle organismer og organer, små variasjoner i detaljene Mens glykolysen omdanner glukose til fosfoenolpyruvat/pyruvat omdanner glukoneogenesen fosfoenolpyruvat til glukose

Glukose Pyruvat ATP ATP ATP Glukose-6-fosfat Oksaloacetat Fruktose-6-fosfat GTP ATP NADH ATP Fosfoenol-pyruvat Fruktose-1,6-bisfosfat NADH ATP

Glykolyse vs glukoneogenese A B Motsatt rettede reaksjonsveier har oftest en del reaksjoner felles i tillegg til en eller flere som er unike for den enkelte reaksjonsveien De unike reaksjonene er kontrollpunktene Glukoneogenesen har 3 unike reaksjoner som atskiller seg fra glykolysen, resten av enzymene er felles Unike enzymreaksjoner som kontrollerer hastigheten av en reaksjonsvei er irreversible under de aktuelle forholdene i cellen

Irreversible reaksjoner i glykolysen

Unike, irreversible reaksjoner Glykolyse Heksokinase: glc + ATP => glc-6-P Fosfofruktokinase 1: fru-1-P + ATP => fru-1,6-bisP Pyruvat kinase: fosfoenolpyruvat + ADP => pyruvat + ATP Glukoneogenese Glukose-6-fosfatase: glc-6-P => glc + Pi Fruktose 1,6-bisfosfatase: Fru-1,6-bisP => fru-6-P + Pi 2 mitokondrielle multienzym reaksjonsveier

Glukoneogenesen - 1. unike reaksjonssekvens Første reaksjonssekvens foregår i mitokondriet I motsetning til glykolysen hvor fosfoenolpyruvat til pyruvat er én reaksjon trengs det en hel serie enzymreaksjoner til å omdanne pyruvat til fosfoenolpyruvat Cellen har to forskjellige reaksjonsveier til å utføre omdannelsen av pyruvat til fosfoenolpyruvat. Substratet avgjør hvilken reaksjonsvei som velges. Mulighet for NADH produksjon er viktig NADH trengs til å redusere 1,3-bisfosfoglyserat til glyseraldehyd-3-P Når alanin eller pyruvat er substrater velges den ene reaksjonsveien Denne medfører at 2 elektroner i form av NADH ”hentes” ut fra mitokondriet Når laktat er substrat velges den andre reaksjonsveien Denne medfører at NADH dannes før pyruvat går inn i mitokondriet

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I Pyruvat transporteres inn i mitokondriet eller dannes ved transaminering av alanin inne i mitokondriet Pyruvat karboksylase katalyserer flg. reaksjon: Pyruvat + HCO3- + ATP => oksaloacetat + ADP + Pi. Biotin er kofaktor her Dette er et viktig reguleringspunkt i glukoneogenesen. Pyruvat karboksylase reguleres positivt av acetyl-CoA Anaplerotisk reaksjon

Biotins reaksjonsmekanisme Ureidogruppen bærer CO2 Enzymet har 2 aktive seter: Aktivering av bikarbonat Overføring av CO2 til pyruvat

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I Oksaloacetat reduseres til malat Enzymet er malat dehydrogenase (mitokondriell) Reduserende ekvivalenter leveres av NADH => Oksaloacetat + NADH + H+ <=> malat + NAD+ G = 0 kJ/mol. Reaksjonen er reversibel og inngår både i sitronsyresyklus og glukoneoenesen Malat overføres til cytosol via malat--ketoglutarat transportøren I cytosol reoksideres malat til oksaloacetat Malat + NAD+ => oksaloacetat + NADH + H+ Enzymet er den cytosoliske isoformen av malat dehydrogenase Resultatet av disse to reaksjonene er overføring av to elektroner til cytosol

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I I cytosol reoksideres malat til oksaloacetat Malat + NAD+ => oksaloacetat + NADH + H+ Enzymet er den cytosoliske isoformen av malat dehydrogenase Resultatet av disse to reaksjonene er overføring av to elektroner til cytosol

Pyruvat til fosfoenolpyruvat -I Oksaloacetat dekarboksyleres og fosforyleres og blir til fosfoenolpyruvat Enzymet er fosfoenolpyruvat karboksykinase Oksaloacetat + GTP Mg 2+ fosfoenolpyruvat + GDP + CO2 Det avspaltede CO2 er det samme som ble koplet på av pyruvat karboksylase Reaksjonssekvensen kan ses som eksempel på aktivering ved karboksylering av et molekyle som skal fosforyleres (finnes også i fettsyresyntese)

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - I Nettoreaksjon: pyruvat + ATP + GTP + HCO3- fosfoenolpyruvat + CO2 + GDP + ADP + Pi G’o = 0,9 kJ/mol Konsentrasjonen av fosfoenolpyruvat holdes svært lav i cellen Derfor er G = -25 kJ/mol Overføring av elektroner til cytosol er essentielt for glukoneogenesen. NADH / NAD+ i cytosol er vanligvis 10-4, mens det er ca 10 i mitokondriet

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - II Når laktat er substrat går omdannelsen til fosfoenol-pyruvat via en alternativ rute Laktat er resultat av anaerob glykolyse f.eks ved muskelarbeid eller normal energi-omsetning i røde blodceller Første reaksjon foregår i cytosol. Her oksideres laktat til pyruvat og de frigjorte elektronene overføres til NAD+ Nå er reduserende ekvivalenter for glukoneogenesen sikret Laktat + NAD+ pyruvat + NADH + H+ Enzymet er laktat dehydrogenase

Pyruvat til fosfoenolpyruvat - II Pyruvat overføres til mitokondriet Pyruvat omdannes til oksaloacetat i en karboksyleringsreaksjon katalysert av pyruvat karboksykinase Pyruvat + ATP + HCO3- Mg 2+ oksaloacetat + ADP + Pi Oksaloacetat kan ikke passere indre mito-kondriemembran. Veien om malat er unødvendig siden NADH allerede er dannet i cytosol Oksaloacetat omdannes direkte til fosfoenol-pyruvat av det mitokondielle isoenzymet fosfoenolpyruvat karboksykinase Oksaloacetat +GTP Mg 2+ fosfoenolpyruvat + CO2 + GDP Fosfoenolpyruvat overføres til cytosol

Fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat Serien av reaksjoner som omdanner fosfoenolpyruvat til fruktose 1,6-bisfosfat er alle reverserte glykolysereaksjoner Pi + ADP aldolase ATP

Glukoneogenesen - 2. unike reaksjon Glykolysens fosfofruktokinase 1 reaksjon er irreversibel I glukoneogenesen er det fruktose 1,6-bisfosfatase som hydrolyser bindingen til fosfatgruppen på C-atom 1 G’o = - 16,3 kJ/mol

Glukoneogenesens 3. unike reaksjon Glykolysens heksokinasereaksjon er irreversibel I glukoneogenesen er det enzymet glukose-6-fosfatase som katalyserer hydrolyse av bindingen til fosfatgruppen. Enzymet er Mg2+ avhengig G’o = -13,8 kJ/mol Dette enzymet finnes bare i lever og nyre hvor det er assosiert med endoplasmatisk retikulum. Bare disse vev produserer glukose som sendes via blodsirkulasjonen til andre vev. Glukose-6-fosfat kan ikke passere cellemebranen Glukose-6-fosfatase er assosiert med endoplasmatisk retikulum

Hvert glukosemolekyle koster 10-12 ATP G = -16 kJ/mol Omkostning: 4 ATP + 2 GTP (=2 ATP) + 2 NADH (= 5 ATP) = 11 ATP

Pentosefosfat reaksjonsveien Syntese av NADPH og ribose-5-fosfat Winnie Eskild, IMBV 2004

Pentosefosfatveien Formålet med denne reaksjonsveien er at danne ribose-5-fosfat og/eller NADPH Pentosen ribose er nødvendig i syntesen av nukleinsyrer NADPH er elektrondonor i de fleste synteseveier Pentosefosfatveien er spesielt viktig i celler med aktiv steroid- og fettsyresyntese (f.eks. binyrer og fettvev) I andre vev aktiveres pentosefosfatveien bare i forbindelse med celledeling hvor det må syntetiseres mye nukleinsyrer Pentosefosfatveien deles i en oksidativ del og en non-oksidativ del Oksidativ del: dannelse av ribose-5-fosfat og NADPH Non-oksidativ del:omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat

Dehydrogenering av glukose-6-fosfat C-1 i glukose-6-fosfat dehydrogeneres og omdannes herved til en intramolekylær ester, 6-fosfo-glukono-d-lakton Enzymet er glukose-6-fosfat dehydro-genase som trenger Mg 2+ Det ekstraheres 2 elektroner og 2 protoner fra glukose-6-fosfat 2 elektroner og 1 proton overføres til NADP+ som omdannes til NADPH En proton frigis til miljøet

Hydrolyse av 6-fosfo- glukono-d-lakton 6-fosfoglukono-d-lakton hydrolyseres rask til 6-fosfoglukonsyre som dissosierer til 6-fosfoglukonat Enzymet er laktonase og trenger Mg2+ for full aktivitet

Dehydrogenering og dekarboksylering 6-fosfoglukonat dehydrogeneres og dekarboksyleres og omdannes herved til pentosen D-ribulose-5-fosfat Enzymet er 6-fosfoglukonat dehydrogenase som trenger Mg2+ Det overføres en hydridion (2 elektroner og en proton) til NADP+ og en proton frigis til miljøet Dekarboksyleringen frigir CO2 til miljøet

Isomerisering av ribulose-5-fosfat Ketosen ribulose-5-fosfat isomeriseres til aldosen ribose-5-fosfat Enzymet er fosfopentose isomerase

Oppsummering av de fire reaksjonene Glukose-6-fosfat + 2 NADP+ + H2O => ribose-5-fosfat + 2 NADPH +2 H+ + CO2 Nettoutbytte er 2 NADPH til generelle synteseformål og et molekyle ribose-5-fosfat til nukleinsyresyntese

Omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat I vev som bare trenger NADPH, men ikke ribose-5-fosfat, kan denne omdannes til glukose-6-fosfat og igjen brukes til NADPH dannelse Omdannelse av ribose-5-fosfat til glukose-6-fosfat er den non-oksidative delen av pentosefosfatveien To enzymer er aktive her: Transketolase som bruker tiaminpyrofosfat (TPP) som kofaktor Transenolase

Epimerasereaksjonen Ribose-5-fosfat epimeriseres til xylulose-5-fosfat Epimerer har forskjellig konfigurasjon ved ett C-atom Enzymene er epimerase og transketolase

Transketolasereaksjonene Transketolaser katalyserer overføringen av en 2-karbonatomenhet fra en ketose til en aldose

Transaldolasereaksjonen Transaldolase overfører en 3-karbonenhet fra en ketosedonor til en aldose mottaker

Transketolase overfører 2-karbonenhet fra xylulose-5-fosfat til ribose-5-fosfat Herved dannes sedoheptulose-7-fosfat og glyseraldehyd-3-fosfat

Transaldolasereaksjonen Her overføres en 3-karbonenhet fra sedoheptulose-7-fosfat til glyseraldehyd-3-fosfat Vi får dannet fruktose-6-fosfat og erytrose-4-fosfat Enzymet er transaldolase som overfører 3-karbonenheter

Transketolasereaksjon Det overføres en 2C-enhet fra xylulose-5-fosfat til erytrose-5-fosfat Herved dannes fruktose-6-fosfat og glyseraldehyd-3-fosfat Enzymet er transketolase

Omdannelse til glukose-6-fosfat De to fruktose-6-fosfat isomeriseres til glukose-6-fosfat Enzymet er fosfoheksose-isomerase To glyseraldehyd-3-fosfat omdannes til glukose-6-fosfat via fruktose-6-fosfat Enzymene triosefosfat-isomerase, aldolase, fruktose-1,6-bisfosfatase Totalt har vi fått omdannes 6 ribose-5-fosfat til 5 glukose-6-fosfat

Ikke-oksidativ del av pentosefosfatveien

Seks ribose-5-fosfat omdannes til fem glukose-6-fosfat