GLUKONEOGENESE: STADIEN (REAKTIONEN) UND REGULATION - CHEMIE - 2025

Die Glukoneogenese ist ein Stoffwechselprozess, der in fast allen Lebewesen stattfindet, einschließlich Pflanzen, Tieren und verschiedenen Arten von Mikroorganismen. Es besteht aus der Synthese oder Bildung von Glucose aus Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, der keine Kohlenhydrate sind, wie Aminosäuren, Glucogene, Glycerin und Lactat.

Es ist einer der Wege des Kohlenhydratstoffwechsels, der anabol ist. Es synthetisiert oder bildet Glucosemoleküle, die hauptsächlich in der Leber und in geringerem Maße im Kortex der Nieren von Menschen und Tieren vorhanden sind.

Stoffwechselweg der Glukogenese. Namen in Blau geben die Substrate des Pfades an, Pfeile in Rot die eindeutigen Reaktionen dieses Pfades, unterbrochene Pfeile zeigen Glykolyse-Reaktionen an, die gegen diesen Pfad gehen, fette Pfeile geben die Richtung des Pfades an. Von BiobulletM aus Wikimedia Commons

Dieser anabole Prozess erfolgt in umgekehrter Richtung des katabolen Glukosewegs mit unterschiedlichen spezifischen Enzymen an den irreversiblen Punkten der Glykolyse.

Die Glukoneogenese ist wichtig für die Erhöhung des Glukosespiegels im Blut und im Gewebe bei Hypoglykämie. Es dämpft auch die Abnahme der Kohlenhydratkonzentration bei längerem Fasten oder in anderen ungünstigen Situationen.

Eigenschaften

Es ist ein anaboler Prozess

Die Glukoneogenese ist einer der anabolen Prozesse des Kohlenhydratstoffwechsels. Durch seinen Mechanismus wird Glucose aus Vorläufern oder Substraten synthetisiert, die aus kleinen Molekülen bestehen.

Glucose kann aus einfachen Biomolekülen proteinerischer Natur wie glucogenen Aminosäuren und Glycerin erzeugt werden, wobei letztere aus der Lipolyse von Triglyceriden in Fettgewebe stammen.

Laktat fungiert auch als Substrat und in geringerem Maße als ungeradkettige Fettsäuren.

Glukoseversorgung bereitstellen

Die Glukoneogenese ist für Lebewesen und insbesondere für den menschlichen Körper von großer Bedeutung. Dies liegt daran, dass es in besonderen Fällen dazu dient, den großen Bedarf an Glukose zu decken, den das Gehirn benötigt (ungefähr 120 Gramm pro Tag).

Welche Körperteile benötigen Glukose? Das Nervensystem, das Nierenmark, unter anderem Gewebe und Zellen wie rote Blutkörperchen, die Glukose als einzige oder wichtigste Energie- und Kohlenstoffquelle verwenden.

Die in der Leber und in den Muskeln gespeicherten Glukosespeicher wie Glykogen reichen für einen Tag kaum aus. Dies ohne Berücksichtigung von Diäten oder intensiven Übungen. Aus diesem Grund wird der Körper durch Glukoneogenese mit Glukose versorgt, die aus anderen Nicht-Kohlenhydrat-Vorläufern oder -Substraten gebildet wird.

Dieser Weg ist auch an der Glukosehomöostase beteiligt. Die auf diese Weise gebildete Glukose ist nicht nur eine Energiequelle, sondern auch das Substrat für andere anabole Reaktionen.

Ein Beispiel hierfür ist die Biosynthese von Biomolekülen. Dazu gehören Glykokonjugate, Glykolipide, Glykoproteine ​​sowie Aminozucker und andere Heteropolysaccharide.

Stadien (Reaktionen) der Glukoneogenese

Von AngelHerraez aus Wikimedia Commons

Syntheseweg

Die Glukoneogenese findet im Zytosol oder Zytoplasma von Zellen statt, hauptsächlich in der Leber und in geringerem Maße im Zytoplasma von Zellen der Nierenrinde.

Sein Syntheseweg macht einen großen Teil der Reaktionen der Glykolyse aus (Glukose-Katabolismus), jedoch in entgegengesetzter Richtung.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die 3 thermodynamisch irreversiblen Glykolyse-Reaktionen durch spezifische Enzyme in der Glukoneogenese katalysiert werden, die sich von denen unterscheiden, die an der Glykolyse beteiligt sind, wodurch die Reaktionen in die entgegengesetzte Richtung ablaufen können.

Dies sind insbesondere solche glykolytischen Reaktionen, die durch die Enzyme Hexokinase oder Glucokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase katalysiert werden.

Die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat erfordert eine Reihe von Reaktionen, um die entscheidenden Schritte der durch spezifische Enzyme katalysierten Glukoneogenese zu überprüfen.

Die erste tritt in der mitochondrialen Matrix mit der Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat auf, das durch Pyruvatcarboxylase katalysiert wird.

Damit Oxalacetat teilnehmen kann, muss es wiederum durch mitochondriale Malatdehydrogenase in Malat umgewandelt werden. Dieses Enzym wird durch die Mitochondrien zum Cytosol transportiert, wo es durch Malatdehydrogenase im Zellzytoplasma wieder in Oxalacetat umgewandelt wird.

Wirkung des Enzyms Phosphoenolpyruvatcarboxykinase

Durch die Wirkung des Enzyms Phosphoenolpyruvatcarboxykinase (PEPCK) wird Oxalacetat in Phosphoenolpyruvat umgewandelt. Die jeweiligen Reaktionen sind nachfolgend zusammengefasst:

All diese Ereignisse ermöglichen die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat ohne die Intervention der Pyruvatkinase, die für den glykolytischen Weg spezifisch ist.

Phosphoenolpyruvat wird jedoch durch die Wirkung von glykolytischen Enzymen, die diese Reaktionen reversibel katalysieren, in Fructose-1,6-bisphosphat umgewandelt.

Wirkung des Enzyms Fructose-1,6-Bisphosphatase

Die nächste Reaktion, die die Wirkung von Phosphofructokinase auf dem glykolytischen Weg liefert, ist diejenige, die Fructose-1,6-bisphosphat in Fructose-6-phosphat umwandelt. Das Enzym Fructose-1,6-Bisphosphatase katalysiert diese Reaktion auf dem gluconeogenen Weg, der hydrolytisch ist und nachstehend zusammengefasst wird:

Dies ist einer der Regulierungspunkte der Glukoneogenese, da dieses Enzym Mg ²⁺ für seine Aktivität benötigt. Fructose-6-phosphat unterliegt einer Isomerisierungsreaktion, die durch das Enzym Phosphoglycoisomerase katalysiert wird, das es in Glucose-6-phosphat umwandelt.

Wirkung des Enzyms Glucose-6-Phosphatase

Schließlich ist die dritte dieser Reaktionen die Umwandlung von Glucose-6-phosphat in Glucose.

Dies geschieht durch die Wirkung von Glucose-6-Phosphatase, die eine Hydrolysereaktion katalysiert und die irreversible Wirkung von Hexokinase oder Glucokinase auf dem glykolytischen Weg ersetzt.

Dieses Glucose-6-Phosphatase-Enzym ist an das endoplasmatische Retikulum von Leberzellen gebunden. Es benötigt auch den Cofaktor Mg ²⁺ , um seine katalytische Funktion auszuüben.

Seine Lage garantiert die Funktion der Leber als Glukosesynthesizer, um die Bedürfnisse anderer Organe zu befriedigen.

Glukoneogene Vorläufer

Wenn im Körper nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, wie dies bei längerem Training in Muskeln und Erythrozyten der Fall sein kann, tritt eine Glukosefermentation auf. Das heißt, Glucose wird unter anaeroben Bedingungen nicht vollständig oxidiert und daher wird Lactat produziert.

Das gleiche Produkt kann ins Blut gelangen und von dort in die Leber gelangen. Dort wirkt es als glukoneogenes Substrat, da das Laktat beim Eintritt in den Cori-Zyklus in Pyruvat umgewandelt wird. Diese Transformation ist auf die Wirkung des Enzyms Lactatdehydrogenase zurückzuführen.

Laktat

Laktat ist ein wichtiges glukoneogenes Substrat im menschlichen Körper. Sobald die Glykogenspeicher aufgebraucht sind, hilft die Umwandlung von Laktat in Glukose, die Glykogenspeicher in Muskeln und Leber wieder aufzufüllen.

Pyruvat

Andererseits tritt durch Reaktionen, die den sogenannten Glucose-Alanin-Zyklus bilden, eine Pyruvat-Transaminierung auf.

Dies findet sich in extrahepatischen Geweben, die Pyruvat in Alanin umwandeln, das ein weiteres wichtiges glukoneogenes Substrat darstellt.

Unter extremen Bedingungen von längerem Fasten oder anderen Stoffwechselstörungen wird der Proteinkatabolismus als letztes Mittel eine Quelle für glukogene Aminosäuren sein. Diese bilden Zwischenprodukte des Krebszyklus und erzeugen Oxalacetat.

Glycerin und andere

Glycerin ist das einzige signifikante glukoneogene Substrat, das aus dem Lipidstoffwechsel stammt.

Es wird während der Hydrolyse von Triacylglyceriden freigesetzt, die im Fettgewebe gespeichert sind. Diese werden durch aufeinanderfolgende Phosphorylierungs- und Dehydrierungsreaktionen in Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt, die dem gluconeogenen Weg folgen, um Glucose zu bilden.

Andererseits sind nur wenige ungeradkettige Fettsäuren glukoneogen.

Regulation der Glukoneogenese

Eine der ersten Kontrollen der Glukoneogenese wird durch die Aufnahme von Nahrungsmitteln mit niedrigem Kohlenhydratgehalt durchgeführt, die einen normalen Glukosespiegel im Blut fördern.

Im Gegensatz dazu ist bei geringer Kohlenhydrataufnahme der Glukoneogenese-Weg wichtig, um den Glukosebedarf des Körpers zu decken.

Es gibt andere Faktoren, die an der wechselseitigen Regulation zwischen Glykolyse und Glukoneogenese beteiligt sind: ATP-Spiegel. Wenn sie hoch sind, wird die Glykolyse gehemmt, während die Glukoneogenese aktiviert wird.

Das Gegenteil passiert bei AMP-Spiegeln: Wenn sie hoch sind, wird die Glykolyse aktiviert, aber die Glukoneogenese wird gehemmt.

Es gibt bestimmte Kontrollpunkte bei spezifischen enzymkatalysierten Reaktionen in der Glukoneogenese. Welche? Die Konzentration von enzymatischen Substraten und Cofaktoren wie Mg ²⁺ und die Existenz von Aktivatoren wie Phosphofructokinase.

Phosphofructokinase wird durch AMP und den Einfluss der Pankreashormone Insulin, Glucagon und sogar einiger Glucocorticoide aktiviert.

Verweise

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