Während die Glycolyse die Oxidation von Glucose unter ATP-Gewinn beschreibt, ist die Gluconeogenese in gewisser Weise das genaue Gegenteil: Die Neu- oder Rückgewinnung von Glucose aus Pyruvat bzw. Oxalacetat. Der Stoffwechselweg der Gluconeogenese ist ubiquitär, sprich in allen Organismen verbreitet.
Ablauf und Lokalisation
Im Gegensatz zur Glykolyse die ausschließlich im Cytoplasma stattfindet, findet die Gluconeogenese in verschiedenen Kompartimenten der Zelle statt.
\1. Gewinnung von Oxalacetat aus Pyruvat in den Mitochondrien
Der erste Reaktionsschritt ist die Gewinnung von Oxalacetat aus Pyruvat durch die Pyruvat Carboxylase. Dieser Schritt findet in der Matrix der Mitochondrien statt. Da jedoch das Oxalacetat das Mitochondrium nicht verlassen kann, muss ein Zwischenschritt über das sogennannte Malat-Aspartat-Shuttle genommen werden.
Herstellung von Glucose- 6- Phospat im Cytoplasma
Nachdem nun das Oxalacetat ins Cytoplasma transportiert wurde, ist der der nächste Schritt die Decarboxylierung und Phosporylierung des Oxalacetats zu 2-Phospoenolpyruvat durch die Phospoenolpyruvatcarboxykinase. Das entstandene 2- Phospoenolpyruvat wird durch das Enzym Enolase zu 3 Phospoenolglycerat umgewandelt, welches anschließend unter ATP- Verbrauch durch die Phospoglyceratkinase zu 1-3-Biphospoglycerat phosporyliert wird. Dieses wird nun durch die Glycerinaldehyd-3- Phospatdehydrogenase dephosporyliert, und das entstehende Trimer Glycerinaldehyd 3- Phospat mit einem weiterem Molekül Glycerinaldehyd- 3 -Phospat durch die Aldolase zu 1,6- Fructose- Biphospat zusammenfügt.
Die 1,6- Fructose- Biphospat wird nun desphosphoyliert, es entsteht Fructose 1- Phosphat, welches durch die Glucose-6- Phospat- Isomerase zu Glucose isomerisiert wird.
Produktion von Glucose im Endoplasmatischen Retikulum
Das entstandene Glucose- 6- Phospat wird nun mittels Transporterproteine in das Endoplasmatische Retikulum transportiert und dort als Endschritt der Gluconeogenese durch die im Lumen des Endoplasmatischen Retikulums lokalisierte Glucose-6-Phospathase zu Glucose desphosporyliert. Durch diesen Mechanismus wird verhindert, dass die entstehende Glucose im Cytoplasma sofort wieder zu Glucose- 6- Phosphat phosporyliert wird.
Nettogleichung
Insgesamt verbraucht die Gluconeogenese Nukleosidtriphosphate, um aus 2 Pyruvat Molekülen ein Molekül Glucose herzustellen.
2 Pyruvat + 4 ATP+ 2 GTP+ 2 NADH+ 6 H20 –> Glucose + 4 ADP+ 2 GDP+ 6 Pi+ 2 NAD++ 2H+
Regulation
Obwohl sich Gluconeogenese und Glykolyse einige Enzyme bzw. deren Reaktionen in gewisser Weise teilen, sind es dennoch zwei antagonistische Stoffwechselwege, die reguliert werden müssen, um einen “futile circle” zu vermeiden.
Die beiden Kontrollpunkte sind dabei die Reaktion von Fructose 6-Phospat zu 1,6- Fructose-Biphospat und die Umsetzung vom Phospoenolpyruvat in Pyruvat, sowie deren jeweilige Umkehrreaktion.
Wichtigstes Regulationsmittel ist die Energieladung in der Zelle. Stoffe die auf eine hohe Energieladung hindeuten, wie etwa Citrat, aktivieren die Enzyme der Glucoeneogenese und hemmen die Enzyme der Glykolyse und umgekehrt.
Quellen
Stryer Biochemie
Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L.