گلوکونئوژنز (Gluconeogenesis): مراحل، واکنش‌ها و اهمیت

گلوکونئوژنز چیست؟

گلوکونئوژنز فرآیند تولید گلوکز از پیش‌سازهای (Precursor) غیر قندی است. گلوکونئوژنز عمدتاً در کبد اتفاق می‌افتد و شامل سنتز گلوکز از ترکیباتی است که کربوهیدرات نیستند.

• وقتی یک سلول روی یک هگزوز (Hexose) مانند گلوکز رشد می‌کند و گلوکز برای سنتز، پلی‌ساکارید (Polysaccharide) به دست می‌آورد، مشکلی وجود ندارد.
• اما زمانی که سلول بر روی سایر ترکیبات کربنی رشد می‌کند، گلوکز باید سنتز شود. این فرآیند گلوکونئوژنز نامیده می‌شود.
• گلوکونئوژنز از فسفونول‌پیروات (Phosphoenolpyruvate) که یکی از واسطه‌های گلیکولیز است به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کند و از طریق مسیر گلیکولیتیک (Glycolytic pathway) به طور معکوس حرکت می‌کند تا گلوکز را تشکیل دهد.
• با این حال شامل چندین مرحله آنزیمی است که در گلیکولیز رخ نمی‌دهد. بنابراین گلوکز با یک معکوس ساده گلیکولیز به تنهایی تولید نمی‌شود.
• پیش‌سازهای اصلی گلوکونئوژنز عبارتند از لاکتات (Lactate)، اسیدهای آمینه (که پیرووات (Pyruvate) یا واسطه‌های چرخه TCA را ایجاد می‌کنند) و گلیسرول (Glycerol) (که DHAP را ایجاد می‌کند).
• سنتز 1 مول گلوکز از 2 مول لاکتات به انرژی معادل حدود 6 مول ATP نیاز دارد.

محل گلوکونئوژنز

کبد، کلیه و روده؛ نه در عضله اسکلتی. اولین واکنش (که توسط پیروات کربوکسیلاز (Pyruvate carboxylase) کاتالیز می‌شود) در میتوکندری (Mitochondria) انجام می‌شود، در حالی که بقیه واکنش‌ها در سیتوزول (Cytosol) رخ می‌دهد.

مراحل گلوکونئوژنز

1. پیروات کربوکسیلاز، پیرووات را به اگزالواستات (Oxaloacetate) در میتوکندری تبدیل می‌کند.
2. اگزالواستات به مالات (Malate) یا آسپارتات (Aspartate) تبدیل می‌شود که به سیتوزول رفته و دوباره به اگزالواستات تبدیل می‌شود.
3. فسفونول‌پیروات کربوکسی‌کیناز (Phosphoenolpyruvate carboxykinase)، اگزالواستات را به فسفونول پیروات (Phosphoenolpyruvate) تبدیل می‌کند.
4. فسفونول پیروات با معکوس کردن مراحل گلیکولیز، فروکتوز 1,6-بیس‌فسفات (Fructose 1,6-bisphosphate) را ایجاد می‌کند.
5. فروکتوز 1,6-بیس‌فسفاتاز (Fructose 1,6-bisphosphatase)، فروکتوز 1,6-بیس فسفات را به فروکتوز-6-فسفات (fructose-6-phosphate) تبدیل می‌کند که به گلوکز-6-فسفات (glucose-6-phosphate) تبدیل می‌شود.
6. گلوکز-6-فسفاتاز، گلوکز-6-فسفات را به گلوکز آزاد تبدیل می‌کند که در خون آزاد می‌شود.

واکنش‌های دخیل در گلوکونئوژنز

1. تبدیل پیروات به فسفونول‌پیروات

در کبد، پیرووات به فسفونول‌پیروات تبدیل می‌شود.

• پیرووات (تولید شده از لاکتات، آلانین (Alanine) و سایر اسیدهای آمینه) ابتدا توسط پیروات کربوکسیلاز (یک آنزیم میتوکندری که به بیوتین (Biotin) و ATP نیاز دارد) به اگزالواستات تبدیل می‌شود.
• اگزالواستات نمی‌تواند مستقیماً از غشای داخلی میتوکندری عبور کند. بنابراین به مالات یا آسپارتات تبدیل می‌شود که می‌توانند از غشای میتوکندری عبور کنند و در سیتوزول به اگزالواستات تبدیل شود.
• اگزالواستات توسط فسفوئنول‌پیروات کربوکسی‌کیناز (phosphoenolpyruvate carboxykinase)، دکربوکسیله (Decarboxylate) می‌شود و فسفونول‌پیروات تشکیل می‌دهد. این واکنش به GTP نیاز دارد.
• فسفونول‌پیرووات با معکوس کردن واکنش‌های گلیکولیتیک به فروکتوز 1,6-بیس‌فسفات تبدیل می‌شود.

2. تبدیل فروکتوز 1,6-بیس فسفات به فروکتوز-6-فسفات

• فروکتوز1، 6-بیس‌فسفات در واکنشی که توسط فروکتوز 1,6-بیس‌فسفاتاز کاتالیز شده و فسفات غیرآلی آزاد می‌کند ، به فروکتوز-6-فسفات تبدیل می‌شود.
• فروکتوز-6-فسفات توسط همان ایزومراز (Isomerase) مورد استفاده در گلیکولیز به گلوکز -6- فسفات تبدیل می‌شود.

3. تبدیل گلوکز-6-فسفات به گلوکز

• گلوکز-6-فسفات، فسفات غیرآلی آزاد نموده که گلوکز آزاد تولید می‌کند که وارد خون می‌شود. آنزیم درگیر گلوکز 6-فسفاتاز است.

بنابراین، نیازهای اصلی برای ساخت یک مولکول گلوکز عبارتند از:

• دو پیرووات
• چهار ATP و دو GTP.
• دو NADH.
• شش H₂O

اهمیت مسیر گلوکونئوژنز

1. زمانی که کربوهیدرات کافی از رژیم غذایی یا ذخایر گلیکوژن (Glycogen) موجود نباشد، گلوکونئوژنز نیازهای بدن به گلوکز را برآورده می‌کند.
2. گلیکوژن ذخیره شده در بافت چربی و در ماهیچه‌های اسکلتی با گلیکوژنولیز به گلوکز تبدیل می‌شود. با این حال گلیکوژن ذخیره شده ممکن است در طول ورزش سنگین، شرایط ابتلا به دیابت، یا هنگام روزه‌داری و غیره کافی نباشد. بنابراین در هنگام کمبود، گلوکز توسط فرآیند گلوکونئوژنز، سنتز می‌شود.
3. تامین مداوم گلوکز به عنوان منبع انرژی به ویژه برای سیستم عصبی و گلبول‌های قرمز ضروری است.
4. مکانیسم گلوکونئوژنز برای پاک‌سازی محصولات متابولیسم سایر بافت‌ها از خون استفاده می‌شود. به عنوان مثال: لاکتات تولید شده توسط ماهیچه‌ها و گلبول‌های قرمز و گلیسرول که به طور مداوم توسط بافت چربی تولید می‌شود.

بیماری مرتبط

کمبود هر یک از آنزیم‌های گلوکونئوژنیک منجر به هیپوگلیسمی (Hypoglycemia) می‌شود. عدم انجام گلوکونئوژنز ممکن است کشنده باشد.

همچنین بخوانید:

• اندوسیتوز چیست؟ تعریف، فرآیند و انواع با مثال
• گلیکولیز چیست؟ گلیکولیز در ۱۰ مرحله ساده

منبع

مترجم: صادق حسینی‌کیا