Unter Gluconeogenese versteht man die Biosynthese von Glucose aus Vorläufern, die keine Kohlenhydrate sind. Es ist im Wesentlichen das Gegenteil der Glykolyse, die hauptsächlich in der Leber und den Nieren beim Fasten, Hungern oder intensiver körperlicher Betätigung auftritt.
Wie die Gluconeogenese funktioniert
Vorläufer
Die Hauptvorläufer für die Gluconeogenese sind Laktat (aus der anaeroben Glykolyse im Muskel), Aminosäuren (insbesondere Alanin aus dem Muskelproteinabbau) und Glycerin (aus dem Fettabbau). Diese Moleküle treten an verschiedenen Stellen in den Stoffwechselweg ein.
Umgehung irreversibler Schritte
Die Glykolyse umfasst drei irreversible Schritte, die bei der Gluconeogenese umgangen werden müssen und durch verschiedene Enzyme katalysiert werden. Pyruvat wird durch Pyruvatcarboxylase in Oxalacetat und dann durch PEP-Carboxykinase (unter Umgehung der Pyruvatkinase) in Phosphoenolpyruvat umgewandelt. Fructose-1,6-bisphosphat wird durch Fructose-1,6-bisphosphatase (unter Umgehung von PFK-1) in Fructose-6-phosphat umgewandelt. Glucose-6-Phosphat wird durch Glucose-6-Phosphatase (unter Umgehung von Hexokinase) in Glucose umgewandelt.
Energiekosten
Die Gluconeogenese ist energetisch teuer. Für die Synthese eines Glucosemoleküls sind 4 ATP, 2 GTP und 2 NADH erforderlich.
Verordnung
Glukoneogenese und Glykolyse werden wechselseitig reguliert, um einen vergeblichen Kreislauf zu verhindern. Wenn reichlich Energie vorhanden ist, wird die Glykolyse gehemmt und die Gluconeogenese aktiviert. Die Hormone Glucagon und Cortisol stimulieren die Gluconeogenese, während Insulin sie hemmt.
Der Cori-Zyklus
Bei intensiver körperlicher Betätigung produzieren die Muskeln durch anaerobe Glykolyse Laktat. Das Laktat wird ins Blut abgegeben und von der Leber aufgenommen, die es über die Gluconeogenese wieder in Glukose umwandelt. Die Glukose kehrt zu den Muskeln zurück und schließt den Cori-Zyklus ab.
Praktische Messung des glukoneogenen Flusses
Der glukoneogene Fluss in primären Hepatozyten wird durch Inkubation von Zellen mit ¹⁴C-markierten Vorläufern wie [2-¹⁴C]Pyruvat, [U-¹⁴C]Lactat oder [¹⁴C]Alanin gemessen. Primäre Rattenhepatozyten mit 1 × 10⁶ Zellen/Well in einer 12-Well-Platte in serumfreiem DMEM ohne Glucose ausplattieren. Nach 2 Stunden Hunger ersetzen Sie das Medium durch Krebs-Ringer-Bicarbonatpuffer, der jeweils 2 mM Laktat, Pyruvat und Alanin (glukoneogene Vorläufer) sowie 0,5 µCi/ml [¹⁴C]markiertes Substrat enthält. 3 Stunden lang bei 37 °C und 5 % CO2 inkubieren. Stoppen Sie die Reaktion durch Zugabe von eiskalter Perchlorsäure (letzte 3 %). Isolieren Sie radioaktiv markierte Glucose durch Ionenaustauschchromatographie – lassen Sie den neutralisierten Überstand durch eine Dowex-1-Säule (Acetatform) laufen, um markierte Zwischenprodukte zurückzuhalten, und eluieren Sie dann Glucose mit Wasser. Zählen Sie die eluierte Glukose durch Flüssigkeitsszintillation. Drücken Sie den glukoneogenen Fluss als produzierte nmol Glukose pro mg Protein und Stunde aus. Fügen Sie eine Kontrolle mit 10 µM des Gluconeogenese-Inhibitors 3-Mercaptopicolinat (hemmt PEP-Carboxykinase) hinzu, um die Signalwegspezifität zu bestätigen. Messen Sie bei isolierter perfundierter Leber den Nettoglukoseausstoß, indem Sie die Glukose im Perfusat mit einem Glukoseoxidase-Testkit testen.
Reale Anwendung
In der Forschung zu Typ-2-Diabetes ist der glukoneogene Fluss aufgrund der Insulinresistenz erhöht. Hepatozyten von diabetischen db/db-Mäusen zeigen im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollen einen 2,5-fachen Anstieg der Glukoseproduktion aus [¹⁴C]Laktat. Die Behandlung mit Metformin (1 mM, 24 Stunden) reduziert diesen Fluss um 40 %, was mit seinem klinischen Mechanismus der Unterdrückung der hepatischen Glukoneogenese übereinstimmt. Diese Messungen leiten die Entwicklung neuer Therapeutika zur Blutzuckerkontrolle.
