Glukoneogenes

Glukoneogenesen upprätthåller plasmaglukos genom energikrävande syntes från framför allt laktat, glycerol och glukogena aminosyror i lever och njurbark. Flödet styrs reciprokalt mot glykolysen av energistatus, substrattillgång, allosteriska effektorer och hormonell signalering, och rubbas vid bland annat diabetes, fasta, njursjukdom och medfödda enzymdefekter.

Definition och metabolisk funktion

Glukoneogenes är nettosyntes av glukos från kolprekursorer som inte är kolhydrater, framför allt laktat, glycerol och glukogena aminosyror. Processen omfattar dels reversering av glykolysens nära jämviktsstyrda reaktioner, dels särskilda förbikopplingar av glykolysens irreversibla steg. Den ska skiljas från glykogenolys, där redan lagrat glykogen bryts ned, och från glykogenes, där glukos lagras som glykogen.

Under postabsorptiv fas bidrar både hepatisk glykogenolys och glukoneogenes till endogen glukosproduktion. När fastan fortskrider minskar leverns glykogenreserv, medan glukoneogenesen blir den dominerande källan till nytt glukos. Samma förskjutning uppkommer vid långvarigt arbete, uttalad kolhydratrestriktion och svält. Processen förhindrar inte bara hypoglykemi utan möjliggör också återvinning av kol från laktat och alanin samt utnyttjande av glycerol som frigörs vid lipolys.

Erytrocyter är obligat glukosberoende eftersom de saknar mitokondrier och därför producerar ATP genom anaerob glykolys med laktat som slutprodukt. Även njurmärgen har ett uttalat glykolytiskt glukosbehov på grund av låg syretillgång. Hjärnan använder normalt mycket glukos och har i välfödd situation ett behov i storleksordningen 120 g per dygn, men kan under långvarig svält ersätta en betydande del med ketonkroppar. Ett kvarstående glukosbehov finns dock bland annat för glykolytisk energiproduktion och biosyntetiska processer.

Organfördelning och tidsförlopp under fasta

Levern är det viktigaste glukoneogena organet och har både enzymutrustning och anatomiska förutsättningar för att exportera glukos till blodet. Hepatocyterna uttrycker bland annat pyruvatkarboxylas, PEP-karboxykinas, fruktos-1,6-bisfosfatas och glukos-6-fosfatas. Levern kan dessutom kombinera glukoneogenes med glykogenolys, vilket ger en snabb och flexibel reglering av glukosproduktionen.

Njurbarkens proximala tubulusceller har betydande glukoneogen kapacitet. I postabsorptivt tillstånd är bidraget mindre än leverns, men det kan öka markant under långvarig fasta och vid metabol acidos, i vissa situationer till omkring 40 procent av den systemiska glukoneogenesen. Glutamin är då ett viktigt substrat. Dess metabolism kopplar glukosproduktion till ammoniagenes och nybildning av bikarbonat, vilket gör renal glukoneogenes relevant även för syra–basregleringen.

Tunntarmen kan uttrycka glukoneogena enzymer och lokalt syntetisera glukos, särskilt från glutamin och glycerol. Hos människa är dess bidrag till cirkulerande glukos normalt begränsat och betydligt osäkrare än leverns och njurens. Lokal bildning av glukos eller glukos-6-fosfat i en vävnad ska inte likställas med nettoexport till blodet; systemisk glukosproduktion kräver bland annat funktionellt glukos-6-fosfatas och transport av fritt glukos över cellmembranet.

Efter en måltid dominerar glukosupptag och glykogeninlagring. När absorptionen avtar börjar leverglykogen brytas ned, samtidigt som glukoneogenesen tilltar inom några timmar, ofta tydligt efter cirka 4–6 timmar. Leverns glykogen är vanligen kraftigt reducerat eller funktionellt otillräckligt under det första fastedygnet, men tidsförloppet påverkas av föregående kolhydratintag, leverns glykogenlager, fysisk aktivitet och hormonellt tillstånd.

Glukoneogena substrat och deras inträdesvägar

Laktat oxideras till pyruvat av laktatdehydrogenas:

laktat + NAD⁺ ⇌ pyruvat + NADH + H⁺

Reaktionen tillför därmed både kol och cytosoliskt NADH. Laktat härrör kontinuerligt från erytrocyter och i ökande mängd från arbetande muskel när glykolysflödet överstiger mitokondriernas oxidativa kapacitet. Leverns återbildning av glukos från laktat ingår i Coricykeln.

Alanin transamineras till pyruvat av alaninaminotransferas, samtidigt som α-ketoglutarat omvandlas till glutamat. Alanin transporterar därför både ett trekolsskelett och aminokväve från muskel till lever. Glutamin omvandlas via glutamat till α-ketoglutarat och går därefter genom citronsyracykeln mot oxaloacetat. Övriga glukogena aminosyror ansluter som pyruvat eller som intermediärer såsom α-ketoglutarat, succinyl-CoA, fumarat och oxaloacetat.

Glycerol frigörs när triacylglyceroler hydrolyseras i fettväv. I framför allt levern fosforylerar glycerolkinas glycerol till glycerol-3-fosfat, som därefter oxideras till dihydroxiacetonfosfat, DHAP. Glycerol ansluter alltså nedströms om de energikrävande reaktionerna från pyruvat och kräver inte pyruvatkarboxylas eller PEPCK. Dess relativa betydelse ökar när lipolysen är hög under fasta.

Propionat aktiveras till propionyl-CoA, karboxyleras till metylmalonyl-CoA och omvandlas till succinyl-CoA, som kan ge oxaloacetat. Hos människa kommer propionat bland annat från udda fettsyror och mikrobiell fermentation i tarmen, men bidraget är litet jämfört med laktat, glycerol och aminosyror. Under tidig fasta ökar proteolysen och tillgången på alanin och glutamin; under längre svält minskar aminosyrabidraget när ketonkroppar reducerar vävnadernas glukosbehov och därmed verkar proteinsparande.

Vilka kolkällor kan inte ge nettoglukos?

Jämna fettsyror β-oxideras till acetyl-CoA men kan hos människa inte ge nettosyntes av glukos. När acetyl-CoA kondenserar med oxaloacetat bildas citrat, men under ett varv i citronsyracykeln avges två kolatomer som koldioxid. Cykeln regenererar oxaloacetat utan att skapa ett nettotillskott av fyrkolsintermediärer från de två kolatomer som fördes in som acetyl-CoA.

För nettoomvandling av acetyl-CoA till oxaloacetat skulle det krävas en glyoxylatcykel som kringgår citronsyracykelns dekarboxylerande steg. Växter, svampar och många bakterier har denna möjlighet genom enzymerna isocitratlyas och malatsyntas. Placentala däggdjur, inklusive människa, saknar en fungerande glyoxylatcykel. Märkta kolatomer från fettsyror kan ändå återfinnas i glukos genom isotoputbyte i citronsyracykeln, men detta visar inte att fettsyran har gett ett nettotillskott av glukoskol.

Det är triglyceridens glyceroldel, inte de jämna fettsyrorna, som är glukoneogen. Udda fettsyror utgör ett undantag eftersom deras sista β-oxidationssteg ger propionyl-CoA utöver acetyl-CoA. Under ketos kan även aceton metaboliseras vidare till bland annat acetol och metylglyoxal, vilka potentiellt kan ge pyruvatprekursorer. Det faktiska nettobidraget från denna väg hos människa är osäkert och bedöms vara kvantitativt begränsat även under svält.

Subcellulär kompartmentalisering och metabolittransport

Glukoneogenesen är fördelad mellan mitokondriematrix, cytosol och endoplasmatiskt retikulum. Pyruvatkarboxylas finns i mitokondriematrix. PEPCK förekommer som både cytosolisk och mitokondriell isoform, medan merparten av de reversibla reaktionerna från fosfoenolpyruvat till glukos-6-fosfat sker i cytosolen. Den terminala hydrolysen av glukos-6-fosfat sker i ER-systemet.

Oxaloacetat passerar inte fritt genom mitokondriens innermembran. Om cytosolisk PEPCK används måste oxaloacetat därför omvandlas till en transportabel metabolit. Det kan reduceras till malat, transamineras till aspartat eller först omvandlas till PEP i mitokondrien. Efter export återbildas oxaloacetat eller fortsätter PEP direkt i den cytosoliska delen av vägen.

Valet av transportväg är även en redoxfråga. Vid glukoneogenes från pyruvat eller alanin behövs cytosoliskt NADH för omvandlingen av 1,3-bisfosfoglycerat till glyceraldehyd-3-fosfat. Export av malat och efterföljande cytosolisk oxidation till oxaloacetat producerar detta NADH. När laktat är prekursor bildar laktatdehydrogenas redan cytosoliskt NADH; då kan kol i större utsträckning exporteras som aspartat eller PEP utan att malatvägen behöver förse cytosolen med reducerande ekvivalenter.

Reaktionsvägen från pyruvat till fosfoenolpyruvat

Den första förbikopplingen ersätter glykolysens irreversibla pyruvatkinasreaktion med två reaktioner. I mitokondriematrix katalyserar pyruvatkarboxylas:

pyruvat + HCO₃⁻ + ATP → oxaloacetat + ADP + Pᵢ

Enzymet är biotinberoende. ATP används först för att aktivera bikarbonat, varefter koldioxid överförs till biotin och slutligen till pyruvat. Reaktionen är även anaplerotisk eftersom den fyller på citronsyracykelns oxaloacetat.

Pyruvatkarboxylas kräver allosterisk aktivering av acetyl-CoA. Vid fasta producerar β-oxidationen både acetyl-CoA och ATP, vilket signalerar att pyruvat bör bevaras för glukoneogenes snarare än oxideras via pyruvatdehydrogenas. Låg energiladdning och högt ADP motverkar den energikrävande vägen. Acetyl-CoA bidrar samtidigt till hämning av pyruvatdehydrogenas genom aktivering av PDH-kinas.

PEPCK katalyserar därefter:

oxaloacetat + GTP → fosfoenolpyruvat + GDP + CO₂

Dekarboxyleringen underlättar bildningen av PEP:s energirika enolfosfatbindning. Cytosolisk PEPCK förutsätter att oxaloacetatets kol först lämnar mitokondrien som malat eller aspartat, medan mitokondriell PEPCK bildar PEP före export. Fördelningen mellan isoformerna ger flexibilitet utifrån substrat och redoxbehov.

Från fosfoenolpyruvat till fritt glukos

Från PEP följer reaktioner som delas med glykolysen men drivs i motsatt riktning. Enolas bildar 2-fosfoglycerat och fosfoglyceratmutas 3-fosfoglycerat. Fosfoglyceratkinas förbrukar ATP när 3-fosfoglycerat fosforyleras till 1,3-bisfosfoglycerat. Glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas reducerar därefter 1,3-bisfosfoglycerat till glyceraldehyd-3-fosfat under förbrukning av NADH.

Triosefosfatisomeras jämviktar glyceraldehyd-3-fosfat med DHAP. En molekyl av vardera triosfosfat kondenseras av aldolas till fruktos-1,6-bisfosfat. Fruktos-1,6-bisfosfatas hydrolyserar sedan fosfatet i position 1 och bildar fruktos-6-fosfat och oorganiskt fosfat. Reaktionen kringgår PFK-1 och är en central regleringspunkt.

Fosfoglukosisomeras omvandlar fruktos-6-fosfat till glukos-6-fosfat. Detta transporteras in i ER, där glukos-6-fosfatas-systemet hydrolyserar det till glukos och fosfat. Produkterna transporteras tillbaka till cytosolen, och glukos kan lämna hepatocyten eller njurcellen till blodet. Skelettmuskel saknar funktionellt glukos-6-fosfatas och kan därför använda sitt glukos-6-fosfat lokalt eller lagra det som glykogen, men inte exportera motsvarande mängd som fritt glukos.

Stökiometri, energikrav och redoxbalans

Från två pyruvat till en glukosmolekyl är nettokostnaden 4 ATP, 2 GTP och 2 NADH. ATP och GTP motsvarar tillsammans sex energirika fosfatbindningar. Detta ska jämföras med glykolysens nettoutbyte på 2 ATP per glukos; fullständig samtidig glykolys och glukoneogenes skulle därför ge en nettoförlust av energi som värme.

Under fasta finansieras energikostnaden huvudsakligen av β-oxidation i levern. Fettsyraoxidationen producerar ATP och NADH samt acetyl-CoA, som aktiverar pyruvatkarboxylas. Fettsyror bidrar således främst med energi och reglerande signaler, även om deras acetyl-CoA inte ger nettoglukos.

Vid defekter i fettsyraoxidationen uppstår motsatt situation: hepatocyten saknar både tillräcklig energitillförsel och den acetyl-CoA-signal som stimulerar pyruvatkarboxylas. Samtidigt blir ketonkroppsbildningen låg. Den kliniska följden kan därför bli hypoketotisk hypoglykemi, särskilt efter fasta eller infektion, snarare än den ketotiska hypoglykemi som ses när lipolys och fettsyraoxidation fungerar.

Reciprok reglering i förhållande till glykolysen

Glukoneogenesen kringgår tre irreversibla glykolysreaktioner. Pyruvatkinassteget ersätts av pyruvatkarboxylas och PEPCK, PFK-1-steget av fruktos-1,6-bisfosfatas och hexokinas-/glukokinassteget av glukos-6-fosfatas. De olika enzymerna gör att motriktade flöden kan regleras separat.

Fruktos-2,6-bisfosfat är den centrala reciproka regulatorn kring fruktos-6-fosfat. Metaboliten aktiverar PFK-1 och hämmar fruktos-1,6-bisfosfatas. Hög koncentration driver därför glykolys, medan låg koncentration gynnar glukoneogenes. AMP förstärker signalen om låg energitillgång genom att hämma fruktos-1,6-bisfosfatas; energikrävande glukossyntes bromsas när cellens ATP-försörjning är otillräcklig.

Högt acetyl-CoA aktiverar pyruvatkarboxylas och styr pyruvat mot oxaloacetat. Samtidigt hämmas pyruvatdehydrogenas indirekt genom PDH-kinas, vilket begränsar omvandlingen av pyruvat till ytterligare acetyl-CoA. Reciprok kontroll minskar, men eliminerar inte helt, substratcykling. Begränsad cykling kan bidra till finreglering och värmeproduktion, medan omfattande samtidig aktivitet skulle vara metaboliskt kostsam.

Hormonell och transkriptionell kontroll

Glukagon binder leverns Gs-kopplade glukagonreceptor och aktiverar adenylatcyklas. cAMP stiger och aktiverar PKA, som fosforylerar leverisoformen av det bifunktionella enzymet PFK-2/FBPase-2. Fosfatasaktiviteten gynnas, fruktos-2,6-bisfosfat sjunker, PFK-1 hämmas och fruktos-1,6-bisfosfatas avlastas från hämning. Resultatet är minskad hepatisk glykolys och ökad glukoneogen riktning.

På längre tidsskala fosforylerar PKA transkriptionsregulatorn CREB. Tillsammans med bland annat koaktivatorn CRTC2 ökar CREB uttrycket av glukoneogena gener, däribland PCK1, som kodar cytosolisk PEPCK, och G6PC, som kodar glukos-6-fosfatasets katalytiska komponent. Transkriptionell reglering förändrar enzymkapaciteten över timmar och ska skiljas från den omedelbara förändring i flöde som uppkommer genom substrattillgång, allosteri och fosforylering.

Insulin aktiverar insulinreceptorns tyrosinkinas och signalering via IRS, PI3K och Akt. Akt fosforylerar FOXO1, vilket leder till kärnexklusion och minskad transkription av glukoneogena gener. Insulin främjar dessutom defosforylering av PFK-2/FBPase-2, varvid kinasaktiviteten dominerar och fruktos-2,6-bisfosfat ökar. Därmed stimuleras glykolys samtidigt som glukoneogenes hämmas.

Katekolaminer förstärker leverns glukosproduktion under akut stress och hypoglykemi, bland annat via β-adrenerg cAMP–PKA-signalering. Kortisol verkar långsammare genom glukokortikoidreceptorn och ökar uttrycket av glukoneogena enzymer. Det ökar också substrattillgången genom proteinkatabola och insulinantagonistiska effekter. Hormonernas nettoeffekt beror därför både på hepatocytens enzymreglering och på tillförseln av laktat, glycerol och aminosyror från perifera vävnader.

Interorgancykler: Cori- och glukos–alanincykeln

I Coricykeln producerar erytrocyter eller arbetande muskel laktat från glukos. Anaerob glykolys ger 2 ATP per glukos, och laktatet transporteras till levern. Där oxideras det till pyruvat och används för återbildning av glukos, som kan återföras till cirkulationen och tas upp av de laktatproducerande vävnaderna.

Levern förbrukar sex ATP-ekvivalenter för att bilda en glukosmolekyl från två pyruvat. Sett över hela Coricykeln blir nettokostnaden därför fyra energirika fosfatbindningar: perifer vävnad vinner 2 ATP, medan levern förbrukar motsvarande 6 ATP. Energin förskjuts på detta sätt från leverns aeroba fettsyraoxidation till vävnader som behöver snabb eller obligat glykolytisk ATP-produktion.

I glukos–alanincykeln transamineras muskelns pyruvat till alanin. I levern överför alaninaminotransferas aminogruppen till α-ketoglutarat, så att pyruvat och glutamat bildas. Pyruvat används för glukoneogenes, medan kvävet förs vidare till ureacykeln. Cykeln transporterar alltså både kol för glukosproduktion och potentiellt toxiskt aminokväve för utsöndring som urea. Vid långvarig fasta kan den bli kostsam genom att den förutsätter muskelproteolys.

Fysiologisk variation och kvantifiering av flödet

Vid längre svält ökar hjärnans användning av ketonkroppar. Därigenom minskar behovet av glukos från aminosyror och därmed nedbrytningen av muskelprotein. Erytrocyternas glukosbehov kvarstår emellertid, och glycerol från lipolys samt återcirkulerat laktat fortsätter att vara viktiga kolkällor. Under graviditet och neonatalperiod kan begränsade reserver och högt relativt glukosbehov göra metabolismen särskilt känslig för avbrott i tillförseln.

Total endogen glukosproduktion är summan av glukos som frisätts genom glykogenolys och glukoneogenes. Glukoneogenes anger nybildning från prekursorer, men all sådan produktion innebär inte nytillförsel av kol till organismens glukospool. Coricykeln återvinner exempelvis kol som nyligen kom från glukos. Den är glukoneogen på organnivå men ger inte samma nettotillskott av kol som glycerol från mobiliserat fett eller glukogena aminosyror från protein.

Kvantifiering görs ofta med stabila isotoper eller andra spårämnen. Tolkningen kompliceras av att märkta kolatomer kan gå flera varv genom citronsyracykeln, byta position och återcirkulera mellan glukos, laktat och intermediärer. Samtidiga förändringar i glykogenolysen påverkar andelen glukosproduktion som tillskrivs glukoneogenes. En hög procentuell andel kan därför bero både på ökad glukoneogenes och på minskad glykogenolys, utan att det absoluta glukoneogena flödet har ökat lika mycket.

Ökad glukoneogenes vid diabetes och farmakologisk påverkan

Vid typ 2-diabetes hämmar insulin inte leverns glukosproduktion tillräckligt. Nedsatt IRS–PI3K–Akt-signalering ger otillräcklig fosforylering och kärnexklusion av FOXO1, vilket upprätthåller uttrycket av bland annat PCK1 och G6PC. Relativ hyperglukagonemi och fortsatt cAMP–PKA-signalering förskjuter dessutom metabolismen mot glukosproduktion trots att plasmaglukos redan är förhöjt.

Insulinresistens i fettväven ökar lipolysen och tillförseln av glycerol och fria fettsyror till levern. Glycerol ger glukoneogent kol, medan fettsyraoxidation ger ATP, NADH och acetyl-CoA. Även laktat- och aminosyratillförsel kan öka. Det är viktigt att skilja ökad enzymkapacitet genom förändrat genuttryck från akut ökat flöde genom massverkan, energitillgång och redoxförskjutning; glukoneogen flux bestäms inte av PEPCK-koncentrationen ensam.

Metformin sänker framför allt den hepatiska glukosproduktionen. Mekanismerna är flera och delvis dos- och tillståndsberoende: förändrad mitokondriell energimetabolism kan höja AMP i förhållande till ATP, påverka AMPK och göra energikrävande glukoneogenes mindre gynnsam. AMPK-oberoende effekter förekommer också, däribland påverkan på cAMP-signalering och mitokondriell redox. Redoxeffekter kan särskilt begränsa användningen av vissa substrat, exempelvis laktat och glycerol.

Laktatansamling blir kliniskt relevant när produktionen är hög eller eliminationen nedsatt. Metforminassocierad laktacidos är ovanlig vid korrekt användning men risken ökar vid grav njursvikt med läkemedelsackumulation, cirkulatorisk eller respiratorisk hypoxi, svår sepsis, avancerad leversvikt eller annan samtidig predisposition för laktacidos. Metformin ska därför bedömas i relation till njurfunktion och akut organsvikt, inte enbart till ett isolerat laktatvärde.

Enzymdefekter och andra kliniska konsekvenser

Defekter på olika nivåer ger överlappande men inte identiska mönster. Gemensamt är försämrad tolerans för fasta och infektion. Laktacidos talar för att pyruvat eller andra trekolsprekursorer inte kan användas normalt, medan ketosens grad ger information om fettsyraoxidation och hormonellt svar.

Vid glykogenos typ I blockeras det terminala steget i både glukoneogenes och hepatisk glykogenolys. Glukos-6-fosfat ansamlas och leds mot glykogensyntes, glykolys och lipidsyntes, vilket förklarar hepatomegali, laktatstegring och hyperlipidemi. Hyperurikemi gynnas bland annat av konkurrens mellan laktat och urat om renal utsöndring. Vid fruktos-1,6-bisfosfatasbrist är glukosfrisättning från glykogen initialt möjlig, men produktion från laktat och glycerol sviktar när fastan fortskrider.

Pyruvatkarboxylasbrist påverkar både glukoneogenes och citronsyracykelns anapleros. Följden kan bli svår neonatal eller infantil laktacidos, energibrist i centrala nervsystemet, hypotoni, kramper och utvecklingsavvikelse. PEPCK-brist är mycket sällsynt och kan ge återkommande hypoglykemi, laktacidos och leverdysfunktion. Fenotypen påverkas av vilken isoform och vävnad som är drabbad samt av alternativa transportsystem.

Under metabol kris bör ett kritiskt prov tas före glukostillförsel om detta kan göras utan att behandlingen fördröjs. Proverna omfattar vanligen plasmaglukos tillsammans med ketonkroppar eller β-hydroxibutyrat, insulin, C-peptid, fria fettsyror, laktat, blodgas, ammonium, kortisol och vid behov tillväxthormon. Acylkarnitinprofil, fria och totala karnitiner, aminosyror samt urin för organiska syror kan identifiera bakomliggande ämnesomsättningssjukdom. Efter glukosbehandling normaliseras flera diagnostiska metaboliter snabbt, och prov som tas ur en glukosinfusion eller hanteras för långsamt kan bli missvisande.

Behandlingen bygger på att undvika katabolism och fasta. Akut hypoglykemi behandlas med glukos, samtidigt som acidos, elektrolytrubbningar och eventuell hyperammonemi handläggs. Långsiktigt används täta kolhydratmåltider, nattlig kontinuerlig tillförsel eller okokt majsstärkelse beroende på diagnos och ålder. Fruktos och galaktos kan behöva begränsas vid glykogenos typ I eftersom de metaboliseras till intermediärer uppströms om glukos-6-fosfatasblocket.

Kronisk njursjukdom minskar njurbarkens glukoneogena kapacitet genom förlust och dysfunktion av proximala tubulusceller samt minskat uttryck av glukoneogena enzymer. Störd glutaminmetabolism reducerar samtidigt ammoniagenes och nybildning av bikarbonat, vilket kan bidra till metabol acidos. Minskad renal laktatanvändning och glukosproduktion är därför inte endast en störning i kolhydratmetabolismen utan en del av njursjukdomens koppling mellan energiomsättning, kvävehantering och syra–basbalans.

Källor

• Gluconeogenesis
• Glukoneogenes
• Category:Gluconeogenesis
• Gluconeogenesis
• Bild: File:Gluconeogenesi.png — Frarmy88, CC BY-SA 3.0
• Bild: File:Glicolise-gliconeogenese.png — Andreenka, Public domain
• Bild: File:F26BP and F6P mediated regulation of F6P and F16BP reaction and effects of this reaction in liver.png — Mertmetin96, CC BY-SA 4.0