Informacija

23. 9 Regulacija metabolizma glukoze iz jetrenocentrične perspektive - Biologija

23. 9 Regulacija metabolizma glukoze iz jetrenocentrične perspektive - Biologija



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Sažetak

Homeostaza glukoze strogo je regulirana kako bi se zadovoljile energetske potrebe vitalnih organa i održalo zdravlje pojedinca. Jetra ima važnu ulogu u kontroli homeostaze glukoze kontroliranjem različitih puteva metabolizma glukoze, uključujući glikogenezu, glikogenolizu, glikolizu i glukoneogenezu. I akutna i kronična regulacija enzima uključenih u putove potrebne su za pravilno funkcioniranje ovih složenih isprepletenih sustava. Alosterička kontrola različitim metaboličkim međuproduktima, kao i posttranslacijske modifikacije ovih metaboličkih enzima čine akutnu kontrolu ovih puteva, a kontrolirana ekspresija gena koji kodiraju ove enzime ključna je u posredovanju dugoročne regulacije ovih metaboličkih putova. Značajno je pokazano da je nekoliko ključnih transkripcijskih faktora uključeno u kontrolu metabolizma glukoze, uključujući glikolizu i glukoneogenezu u jetri. U ovom pregledu željeli bismo ilustrirati trenutno razumijevanje metabolizma glukoze, s naglaskom na transkripcijske faktore i njihove regulatore koji su uključeni u kroničnu kontrolu homeostaze glukoze.

Pregled metabolizma glukoze u jetri

U uvjetima hranjenja, ugljikohidrati iz hrane se probavljaju i obrađuju raznim glukozidazama u probavnom traktu, a dobiveni monosaharidi, uglavnom heksozna glukoza, transportiraju se u različita tkiva kao primarno gorivo za stvaranje ATP -a.1 U većini tkiva sisavaca katabolizam glukoze u piruvat, nazvan glikoliza, očuvan je kao glavni put u izazivanju ATP -a. U tkivima s obiljem mitohondrija, citosolni piruvat transportira se u mitohondrijski matriks, pretvara u acetil-CoA kompleksom piruvat dehidrogenaze i ugrađuje u ciklus trikarboksilne kiseline zajedno s oksaloacetatom. Ciklus stvara energiju ekvivalentnu ATP -u (to jest GTP -u), kao i NADH i FADH2, koji služe kao važni nositelji elektrona za oksidativnu fosforilaciju lanca transporta elektrona, što rezultira stvaranjem ATP-a.

U nekim slučajevima, poput crvenih krvnih stanica koje nemaju mitohondrije ili stanica u ishemijskim uvjetima, piruvat se u citosolu pretvara u laktat za regeneraciju NAD -a+ to je potrebno za nastavak stvaranja ATP-a fosforilacijom na razini supstrata putem anaerobne glikolize. Višak ugljikohidrata u jetri najprije se glikogenezom pretvara u glikogen, skladišni oblik glukoze u životinja. Osim toga, u prehrani bogatoj ugljikohidratima, višak ugljikohidrata također se lipogenezom pretvara u masne kiseline pomoću acetil-CoA nastalog iz piruvata glikolize, koji je ugrađen u lipoproteine ​​vrlo niske gustoće za transport do bijelog masnog tkiva za skladištenje .2 Regulacija metabolizma glikogena detaljno je ispitana u ovom odjeljku, a transkripcijska kontrola glikolize i lipogeneze opisana je u sljedećem odjeljku.

U uvjetima posta, jetra ima glavnu ulogu u stvaranju glukoze kao goriva za druga tkiva, poput mozga, crvenih krvnih stanica i mišića. U početku povećanje hormona glukagona gušterače pokreće kaskadu djelovanja kinaze (dolje je detaljno navedeno) koje oslobađa glukozu iz pohranjenog glikogena glikogenolizom.1 Uobičajeno je pohranjeni glikogen kritičan za održavanje homeostaze glukoze u sisavaca tijekom razdoblja gladovanja preko noći. Tijekom dugotrajnog posta ili gladovanja, u biti se iscrpljuje sav pohranjeni glikogen u jetri (nakon ~ 30 sati gladovanja), i de novo sinteza glukoze ili glukoneogeneza odgovorna je za stvaranje glukoze kao goriva za druga tkiva. Glavni prethodnici ugljikohidrata za glukoneogenezu su laktat, koji se transportira iz perifernih tkiva, poput skeletnih mišića ili crvenih krvnih stanica, i glicerol, koji se oslobađa iz masnog tkiva pojačanom lipolizom tijekom gladovanja. Većina početnih prekursora za glukoneogenezu nastaje u mitohondrijima (osim glicerol 3-fosfata putem aktivnosti glicerol kinaze), no većina se reakcija događa u citosolnom dijelu stanice. Složeni regulatorni mehanizam detaljno je opisan u sljedećem odjeljku, s naglaskom na transkripcijskoj kontroli ključnih gena regulatornih enzima.

Regulacija metabolizma glikogena u jetri

Nakupljanje glikogena u jetri tijekom uvjeta hranjenja osigurava oblik skladištenja glukoze koji se može koristiti u vrijeme smanjenog unosa hrane (slika 1). Za ovaj proces potrebno je više slojeva regulacije kako za aktivaciju glikogen sintaze, koja je ključni enzim glikogeneze (sinteza glikogena), tako i za inhibiciju glikogen fosforilaze, koja je ključni enzim glikogenolize (razgradnja glikogena) u jetri . Glikogen sintaza je glavni enzim koji olakšava produženje glikogenskih lanaca kataliziranjem prijenosa glukoznog ostatka UDP-glukoze na nereducirajući kraj već postojeće grane glikogena radi stvaranja nove α1 → 4 glikozidne veze. Regulacija glikogen sintaze uglavnom se proučavala pomoću mišićno specifične izoforme. U mišićima se glikogen sintaza inaktivira fosforilacijom na više serinskih ostataka pomoću različitih serin/treonin kinaza kao što su kazein kinaza-1, protein kinaza A (PKA) i glikogen sintaza kinaza-3 (GSK-3). Najviše se ističe da je fosforilacija glikogen sintaze GSK-3 u serinskim ostacima 640, 644 i 648 povezana s najvažnijom inhibitornom posttranslacijskom modifikacijom zbog svoje katalitičke aktivnosti.

Regulacija metabolizma jetrenog glikogena. U uvjetima posta, glukagon i epinefrin induciraju signalne kaskade ovisne o cAMP, što dovodi do aktivacije glikogen fosforilaze i glikogenolize dok inhibira glikogenezu. Nasuprot tome, hranjenje pojačava signalizaciju posredovanu inzulinom u jetri, što dovodi do aktivacije PP1 i Akt, čime se potiče sinteza glikogena kao odgovor na povećani unos glukoze u jetri. Za detaljnije regulatorne putove pogledajte glavni tekst. cAMP, ciklički AMP.

U uvjetima posta, defosforilirani i aktivni GSK-3 fosforilira i inaktivira glikogen sintazu, što dovodi do inhibicije sinteze jetrenog glikogena. Tijekom hranjenja pojačana signalizacija inzulina aktivira Akt u stanici, koji zauzvrat fosforilira i inaktivira GSK-3, što rezultira aktivacijom glikogen sintaze. Osim toga, povećane koncentracije glukoze 6-fosfata alosterički aktiviraju ovaj enzim, pojačavajući tako njegovu katalitičku aktivnost u uvjetima hranjenja.3, 4 Jedna novija publikacija osporava ulogu GSK-3 u regulaciji jetre specifične izoforme glikogen sintaze. U toj studiji, Guinovart et al.5 mutirao odgovarajuće serinske ostatke za koje se pokazalo da su regulirani GSK-3 u izoformi jetre glikogen sintaze. Otkrili su da mutacija tih ostataka nije utjecala na ukupnu aktivnost enzima, već da je mutacija serina 7 u alanin, mjesto koje PKA prepoznaje i regulirala, dovela do povećane aktivnosti ovog enzima. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se utvrdilo mogu li se ti rezultati provjeriti in vivo pomoću životinjskih modela, poput miševa koji su specifični za jetru, za S7A jetrenu glikogen sintazu. Proteinska fosfataza 1 (PP1) može biti odgovorna za defosforilaciju i aktivaciju glikogen sintaze. U skladu s tim, pokazalo se da i glukoza i inzulin aktiviraju aktivnost PP1, dok su glukagon i epinefrin povezani s inhibicijom njegove aktivnosti.

Glikogen fosforilaza je glavni enzim uključen u glikogenolizu (slika 1). Ovaj enzim katalizira reakciju uklanjanja ostatka glukoze s nereducirajućeg kraja lanca glikogena, što dovodi do stvaranja glukoze 1-fosfata.6 Glukoza 1-fosfat se može pretvoriti u glukozu 6-fosfat fosfoglukomutazom, a glukoza 6-fosfat može se ugraditi u glikolizu ili dalje pretvoriti u glukozu glukoza 6-fosfatazom, ovisno o energetskom statusu organizma. Glikogen fosforilaza je aktivna kada se fosforilira na svom ostatku serina 14. Za fosforilaciju glikogen fosforilaze potreban je kaskadni mehanizam adrenalina i glukagona u jetri. Nakon aktivacije Gα vezanjem hormona za receptore vezane za G stanične površine (beta adrenergički receptor ili glukagonski receptor) na površini stanice, razina unutarstanične ciklične AMP (cAMP) povećava se putem adenilat ciklaze, što dovodi do aktivacije PKA. PKA je tada odgovoran za fosforilaciju i aktivaciju glikogen fosforilaza kinaze, koja zauzvrat fosforilira i aktivira glikogen fosforilazu kako bi poboljšala razgradnju glikogena. U uvjetima hranjenja ova kaskada kinaza je neaktivna zbog nedostatka lučenja kataboličkih hormona. Osim toga, inzulin potiče aktivaciju PP1, koji defosforilira i inaktivira glikogen fosforilazu. U biti, anabolički hormon inzulin potiče glikogenezu i inhibira glikogenolizu aktivacijom PP1, što dovodi do defosforilacije glikogen fosforilaze (inaktivacija) i glikogen sintaze (aktivacija), a aktivacijom Akt dovodi do fosforilacije GSK-3 (inaktivacija) koja ne može fosforilirati i inaktivirati glikogen sintazu.

Kontrola jetrene glikolize

Kao što je gore rečeno, glikoliza je ključna za katabolizam glukoze u većini stanica za stvaranje energije. Ključni enzimi koji ograničavaju brzinu za ovaj put uključuju glukokinazu (GK, koja se također naziva heksokinaza IV), koja pretvara glukozu u glukozu 6-fosfat; fosfofruktokinaza-1 (PFK-1), koja pretvara fruktozu 6-bisfosfat u fruktozu 1,6-bisfosfat; i piruvat kinaza tipa jetre (L-PK), koja u jetri pretvara fosfoenolpiruvat (PEP) u piruvat. Ti enzimi su strogo regulirani alosteričnim posrednicima koji općenito potiču katabolizam glukoze u stanici.2, 7, 8, 9

GK je heksokinaza s visokim kilometrom prisutna u jetri i beta stanicama gušterače, pa funkcionira kao senzor glukoze za svaku vrstu stanice. Za razliku od drugih izotipova heksokinaze, aktivnost GK nije alosterijski inhibirana njegovim katalitičkim produktom, glukoza-6-fosfatom u stanici, što omogućuje jetri da kontinuirano koristi glukozu za glikolizu u uvjetima povećane dostupnosti glukoze, kao što je u vrijeme hranjenja. GK se regulira interakcijom s regulatornim proteinom glukokinaze (GKRP). U niskoj unutarstaničnoj koncentraciji glukoze tijekom posta, vezivanje GK i GKRP pojačano je fruktoznim 6-fosfatom, što dovodi do nuklearne lokalizacije ovog proteinskog kompleksa. Veće koncentracije glukoze tijekom hranjenja natječu se s fruktoza 6-fosfatom za vezanje ovog kompleksa, što potiče citosolnu lokalizaciju GK koja se oslobađa iz GKRP-a, uzrokujući tako povećanu proizvodnju glukoza-6-fosfata u ovom okruženju.10

PFK-1 katalizira metabolički nepovratan korak koji u biti veže glukozu u glikolizu. Ova enzimska aktivnost alosterički je inhibirana ATP -om i citratom, što općenito ukazuje na znak obilja energije. Uzajamno, on se alosterijski aktivira pomoću ADP -a ili AMP -a, što ga čini učinkovitijim u provođenju glikolize za proizvodnju više ATP -a u stanici. Osim toga, aktivnost PFK-1 alosterički aktivira fruktoza 2,6-bisfosfat (F26BP), neglikolitički metabolit koji je kritičan za regulaciju metabolizma glukoze u jetri. F26BP nastaje iz fruktoza 6-fosfata kinaznim dijelom bifunkcionalnog enzima koji sadrži i domenu kinaze (fosfofruktokinaza-2, PFK-2) i domenu fosfataze (fruktoza 2,6-bisfosfataza, F-2,6-paza ). PFK-2 se aktivira inzulinski ovisnom defosforilacijom bifunkcionalnog enzima koji aktivira aktivnost PFK-2 i istodobno inhibira aktivnost F-2,6-Paze kako bi potaknuo povećanu koncentraciju F26BP. Pokazalo se da je aktivacija PKA posredovana glukagonom odgovorna za fosforilaciju i inaktivaciju kinaznog dijela ovog enzima.7

Za razliku od mišića, L-PK je također kritičan regulatorni korak u kontroli glikolize u jetri. Kao i u slučaju drugih glikolitičkih enzima, aktivnost L-PK reguliraju i alosterični posrednici i posttranslacijske modifikacije. Aktivnost L-PK se alosterijski aktivira fruktozom 1,6-bisfosfatom, pokazateljem aktivne glikolize. Nasuprot tome, njegovu aktivnost alosterički inhibiraju ATP, acetil-CoA i dugolančane masne kiseline, koje sve signaliziraju obilnu opskrbu energijom. Dodatno, aminokiselina alanin inhibira njegovu aktivnost jer se reakcijom transaminacije može lako pretvoriti u piruvat. L-PK inhibira PKA nakon povećanja unutarstaničnog cAMP-a posredovanog glukagonom tijekom posta, a aktivira se defosforilacijom posredovanom inzulinom u uvjetima hranjenja.7

Osim akutne regulacije ključnih regulatornih enzima, glikoliza se regulira transkripcijskim mehanizmom koji se aktivira tijekom uvjeta hranjenja. Dva su glavna transkripcijska faktora, sterol vežući regulator sterolnih proteina 1c (SREBP-1c) i protein koji veže element ugljikohidratnog odgovora (ChREBP), odgovorna su za transkripcijsku aktivaciju ne samo gena glikolitičkih enzima, već i gena uključenih u biosintezu masnih kiselina (poput sintaza masnih kiselina (FAS), acetil-CoA karboksilaza (ACC) i stearoil-CoA desaturaza 1 (SCD1)) i stvaranje triacilglicerola (poput glicerol 3-fosfat aciltransferaze (GPAT) i diacilglicerol aciltransferaze 2 (DGAT2)), koji se normalno aktivira ishranom bogatom ugljikohidratima (slika 2).11 Budući da su ti procesi često koordinirano regulirani, aktivirani tijekom hranjenja i inhibirani postom, ponekad se zajedno nazivaju lipogeneza.

Regulacija jetrene glikolize. U uvjetima hranjenja, povećani unos glukoze u hepatocite potiče glikolizu i lipogenezu za stvaranje triglicerida kao oblika skladištenja goriva. Ovaj proces transkripcijski reguliraju dva glavna transkripcijska faktora u jetri, SREBP-1c i ChREBP-Mlx heterodimer, koji posreduju inzulinski i glukozni odgovor. Za detaljnije regulatorne putove pogledajte glavni tekst.

Slika u punoj veličini

SREBP su glavni regulatori metabolizma lipida u sisavaca. Oni su članovi obitelji transkripcijskih faktora tipa helic-loop-helix leucine zipper (b/HLH/LZ) koji obuhvaćaju SREBP-1a, SREBP-1c i SREBP-2. SREBP se prevodi kao prekursorski vezan oblik endoplazmatskog retikuluma (ER) koji sadrži domenu N-terminalnog transkripcijskog faktora i C-terminalnu regulatornu domenu povezanu sa središnjom transmembranskom domenom.12 Unutar ove obitelji transkripcijskih faktora, SREBP-2 je povezan s kontrolom unosa kolesterola ili biosinteze u jetri transkripcijskom aktivacijom gena uključenih u put, uključujući receptor lipoproteina niske gustoće (LDLR), 3-hidroksi-3-metilglutaril -koenzim A reduktaza (HMGCR), hidroksi-3-metilglutaril-koenzim A sintaza 1 (HMGCS1) i farnezil difosfat sintaza (FDPS). SREBP-1c, međutim, aktivira gene koji kodiraju enzime za lipogenezu (FAS, ACC, SCD1 i DGAT2), kao i GK, koji je prvi enzim u koraku predanosti iskorištavanja glukoze u jetri. Doista, miševi nokautirani SREBP-1c specifični za jetru pokazali su oslabljenu aktivaciju lipogenih gena u prehrani bogatom ugljikohidratima, čime je potvrđena važnost ovog transkripcijskog faktora u regulaciji jetrene glikolize i biosinteze masnih kiselina.13 SREBP-1a nije jako izražen u jetri, ali se pokazalo da je uključen u stvaranje inflamazoma kao odgovor na liječenje lipopolisaharidom (LPS) u makrofazima transkripcijskom aktivacijom Nlrp1.14 Regulacija SREBP-2 i SREBP-1c prilično se razlikuju u jetri. Ekspresiju SREBP-2 ne kontroliraju steroli, ali njegovu proteolitičku obradu strogo reguliraju unutarstanične koncentracije kolesterola. Normalno je vezan u ER-u interakcijom proteina koji aktivira cijepanje SREBP-om (SCAP) i inzulinski induciranog genskog proteina (INSIG) u prisutnosti visokih unutarstaničnih razina kolesterola, a smanjenje koncentracije kolesterola oslobađa interakciju SCAP-a i kompleks SREBP-2/INSIG, što rezultira translokacijom potonjeg kompleksa u Golgijev aparat i oslobađanjem aktivnog faktora SREBP-2 uzastopnim proteolitičkim cijepanjem.15 Za razliku od SREBP-2, SREBP-1c se uglavnom regulira na razini transkripcije inzulinom. Točan transkripcijski faktor koji posreduje u signalu ovisnom o inzulinu još nije jasan, iako bi sam SREBP-1c mogao biti uključen u proces kao dio autoregulacijske petlje. Zanimljivo je da se pokazalo da receptor jetre X receptora za jetru (LXR) koji osjeća oksisterol kontrolira transkripciju SREBP-1c, što sugerira da bi se SREBP-1c i SREBP-2 mogli drugačije regulirati kao odgovor na stanične razine kolesterola.16 Nedavna istraživanja otkrila su sudjelovanje različitih kinaza u kontroli aktivnosti SREBP-1c. U stanicama HepG2 pokazalo se da PKA smanjuje sposobnost vezanja DNA za SREBP-1a fosforilacijom serina 338 (ekvivalent serina 265 za SREBP-1c).17 Izvješće Bengoechee i Ericssona sugeriralo je da GSK-3, kinaza za koju se zna da smanjuje sintezu glikogena ciljajući glikogen sintazu, snižava aktivnost SREBP-1 putem fosforilacije C-terminalnog ostatka koji potiče razgradnju SREBP-ovisnu o ubiquitin ligazi Fbw7. 1 bjelančevine.18 Osim toga, i AMP aktivirana protein kinaza (AMPK) i s njom povezana kinaza kinaza inducirana solju kinaze (SIK) 1 uključeni su u regulaciju njezine aktivnosti inhibitornom fosforilacijom (serin 372 za AMPK, koji blokira proteolizu i nuklearnu lokalizaciju SREBP-a -1c, i serin 329 za SIK1, što izravno smanjuje njegovu transkripcijsku aktivnost).19, 20 Ovi podaci ukazuju na to da je fino podešavanje aktivnosti SREBP-1c kritično za održavanje homeostaze glukoze i lipida u jetri.

Drugi istaknuti transkripcijski faktor za kontrolu glikolize i biosinteze masnih kiselina u jetri je ChREBP. ChREBP je u početku bio poznat kao kritična regija Williams-Beuren-ovog sindroma 14 (WBSCR14) i smatran je jednim od potencijalnih gena koji potiču Williams-Beuren-ov sindrom.Kasnije, korištenjem elementa odgovora ugljikohidrata (ChoRE) iz L-PK, ChREBP je izoliran kao bona fide transkripcijski faktor za vezanje ChoRE glikolitičkih promotora.21 Doista, ChREBP je visoko izražen u tkivima koja su aktivna u lipogenezi, poput jetre, smeđih adipocita, bijelih adipocita, tankog crijeva i bubrega. Kao i u slučaju SREBP-a, ChREBP pripada obitelji transkripcijskih faktora b/HLH/LZ i tvori heterodimer s drugim b/HLH/LZ transkripcijskim faktorom Max-sličnim proteinom X (Mlx) na glikolitičkom promotoru.22 Kao i u slučaju SREBP-1c, ekspresija ChREBP je povećana u jetri kao rezultat prehrane bogate ugljikohidratima, a učinak je rekapituliran u primarnim hepatocitima uz visoku razinu glukoze.

Nedavno izvješće doista je ukazalo na ulogu LXR-a u transkripcijskoj aktivaciji ChREBP-a kao odgovor na glukozu, iako je studiju potrebno dodatno provjeriti jer se transkripcijski odgovor ne pokazuje samo liječenjem D-glukoze, prirodnog oblika prisutne glukoze kod životinja, ali i liječenjem neprirodne L-glukoze, oblika glukoze za koji nije poznato da aktivira lipogenezu u jetri.23 Štoviše, studije provedene na LXR nokaut miševima nisu otkrile promjene u ekspresiji ChREBP u jetri, argumentirajući protiv uloge LXR u kontroli ChREBP.24 Također se pokazalo da glukoza regulira aktivnost ChREBP -a kontroliranjem njegove nuklearne lokalizacije. Postoje tri istaknuta serin/treonin ostatka na koje ciljaju serin/treonin kinaze. Pokazano je da PKA fosforilira serin 196, koji je kritičan za staničnu lokalizaciju, i treonin 666, koji je kritičan za njegovu sposobnost vezanja za DNK, dok AMPK fosforilira serin 568 diktira njegovu sposobnost vezanja za DNA. Sva tri mjesta su fosforilirana u uvjetima posta ovim kinazama i defosforilirana su pri hranjenju djelovanjem proteinske fosfataze 2A (PP2A) posredovanom ksilulozom 5-fosfatom (X5P).25, 26 Međutim, trenutni model potrebno je dodatno provjeriti zbog kontrastnih podataka koji su objavljeni u vezi s ulogom ovih fosforilacija u aktivnosti ChREBP.

Prvo, visoke koncentracije glukoze u primarnim hepatocitima ne rezultiraju smanjenjem razine cAMP-a ili aktivnosti PKA, što ukazuje na to da bi drugi signali mogli biti potrebni za posredovanje visoke nuklearne translokacije ChREBP-a ovisne o glukozi. Osim toga, mutant iz serina do alanina ChREBP-a i dalje zahtijeva visoku razinu glukoze za svoju punu aktivnost, što upućuje na to da su potrebne dodatne radnje za rekapitulaciju aktivacije/nuklearne lokalizacije ChREBP-a posredovane visokom glukozom u jetri.27, 28 Fiziološku ulogu ChREBP -a u metabolizmu glukoze u jetri potvrdio je in vivo studije. ChREBP nokaut miševi rođeni su u mendelskom omjeru i nisu pokazali razvojne probleme. Nokautirane životinje pokazale su smanjenu razinu triacilglicerola u jetri zajedno sa smanjenjem ekspresije lipogenih gena, čime je potvrđena uloga ChREBP -a u kontroli jetrene glikolize i sinteze masnih kiselina.29 Zanimljivo je da je kompenzacijski porast glikogena primijećen u jetri ovih miševa, što sugerira da su se ti miševi prilagodili skladištenju više glikogena kao skladišnog oblika goriva, za razliku od triacilglicerola. U jetri miša ob/ob pokazano je povećano nakupljanje nuklearnog ChREBP -a, što sugerira da bi ovaj fenomen mogao biti uzrokovan fenotipom masne jetre u ovih miševa. Doista, oborenje ChREBP -a u ob/ob miševa smanjilo je brzinu lipogeneze sa smanjenom ekspresijom većine lipogenih gena.30 Nadalje, iscrpljivanje jetrenog ChREBP -a kod ob/ob miševa poboljšalo je hiperglikemiju, hiperlipidemiju i hiperinsulinemiju, što ukazuje na to da bi regulacija ChREBP -a mogla biti kritična u kontroli metaboličkih poremećaja u prisutnosti pretilosti i inzulinske rezistencije.

Kontrola jetrene glukoneogeneze

Dugotrajno gladovanje ili gladovanje izaziva de novo sintezu glukoze iz prekursora ugljikohidrata, nazvanih jetrena glukoneogeneza. Ovaj proces započinje pretvorbom piruvata u oksaloacetat piruvat karboksilazom (PC) u mitohondrijima i na kraju završava pretvorbom u glukozu putem nekoliko enzimskih procesa u citosolu.7, 8, 9 Među supstratima za glukoneogenezu su aminokiseline, koje se mogu pretvoriti u piruvat ili međuproizvode ciklusa trikarboksilne kiseline; laktat, koji se može pretvoriti u piruvat laktat dehidrogenazom; i glicerol (iz povećane lipolize u bijelim adipocitima natašte), koji se može pretvoriti u dihidroksiaceton fosfat, glukoneogeni međuprodukt (dvostupanjski proces koji kataliziraju glicerol kinaza i glicerol 3-fosfat dehidrogenaza). Ključni regulatorni enzimi na tom putu, uključujući glukozu 6-fosfatazu (G6Pazu), fruktozu 1,6-bisfosfatazu (Fbpaza1), PC i fosfoenolpiruvat karboksikinazu (PEPCK), aktiviraju se u uvjetima gladovanja kako bi se povećao glukoneogeni tok u tom okruženju.

Mitohondrijski acetil-CoA (izveden iz povećane oksidacije masnih kiselina natašte) djeluje kao ključni alosterični aktivator PC-a, što dovodi do povećane proizvodnje oksaloacetata za glukoneogenezu. Osim toga, pokazano je da F26BP, koji je ključni alosterijski regulator glikolize aktiviranjem PFK-1, inhibira glukoneogenezu putem alosterične inhibicije Fbpaze1, koja pomaže recipročno kontrolirati glukoneogenezu i glikolizu pod različitim prehrambenim stanjima. Budući da je Fbpaza2 aktivirana, ali je PFK-2 inhibiran natašte, nedostatak F26BP omogućuje aktivaciju Fbpaze1 i povećanu proizvodnju fruktoza 6-fosfata u glukoneogenezi. Kronična aktivacija glukoneogeneze u konačnici se postiže transkripcijskim mehanizmima. Glavni transkripcijski čimbenici za koje se pokazalo da induciraju glukoneogene gene uključuju CREB, FoxO1 i nekoliko nuklearnih receptora (slika 3).31

Regulacija jetrene glukoneogeneze. U uvjetima posta, jetrena glukoneogeneza poboljšava se smanjenom koncentracijom inzulina i povećanom koncentracijom inzulinskih proturegulacijskih hormona, poput glukagona. CREB/CRTC2, FoxO1 i obitelj nuklearnih receptora kritični su u koordinaciji aktivacije glukoneogeneze posredovane natašte u jetri. FoxO1, kutija vilice O 1

Slika u punoj veličini

U uvjetima posta, glukagon i epinefrin mogu povećati koncentraciju cAMP -a u jetri aktivacijom adenilat ciklaze, što dovodi do aktivacije PKA i kasnije indukcije CREB -a putem fosforilacije serina 133. Događaj fosforilacije ključan je u regrutiranju histonskih acetiltransferaza (HAT) CBP/p300, što dovodi do acetilacije histona H3 i H4 i transkripcijske aktivacije ciljnih gena.32, 33 Transkripcija ovisna o CREB-u dodatno je poboljšana povezivanjem s dodatnim transkripcijskim koaktivatorima CREB-reguliranim transkripcijskim koaktivatorima (CRTCs), koji su meta za acetilaciju posredovanu CBP/p300, što zauzvrat potiče čvršću povezanost CREB, CBP/p300 i CRTC na promotor.34, 35, 36 Uloga CREB -a u kontroli jetrene glukoneogeneze potvrđena je in vivo studije su koristile transgene miševe ACREB (inhibitor CREB inhibitora) koji potiče albumin i modele miševa CREB posredovane siRNA.37, 38 U oba modela miša, inaktivacija CREB smanjila je razinu glukoze u krvi i smanjila ekspresiju glukoneogenih gena u miševa, pokazujući da je CREB vjerodostojan fiziološki transkripcijski regulator jetrene glukoneogeneze in vivo. Nasuprot tome, uloga CBP -a u glukoneogenezi i dalje je kontroverzna. Čini se da poremećaj interakcije CREB-CBP ne utječe na homeostazu glukoze jer su miševi sa stabilnom ekspresijom mutiranog CBP-a koji se nisu mogli vezati za CREB pokazali normalnu glikemiju.36 Nadalje, mutirani miševi koji proizvode CH1 nul-produkte (ΔCH1-domena koja je kritična za inzulinski posredovanu depresiju CBP aktivnosti) pokazali su normalnu glukoneogenezu natašte.39 Stoga su potrebne daljnje studije kako bi se opisala potencijalna uloga HAT -ova u transkripcijskoj kontroli aktivnosti CREB -a u ovom okruženju.

CRTC obitelj transkripcijskih koaktivatora sastoji se od CRTC1, CRTC2 i CRTC3, koji su izolirani skriningom biblioteke ekspresija kao aktivatori CREB-ovisne transkripcije.34 Aktivnost CRTC -a regulirana je staničnom lokalizacijom, a pokazalo se da je AMPK obitelj serin/treonin kinaza, poput AMPK, SIK1 ili SIK2, uključena u inhibitornu fosforilaciju ovog faktora (serin 171 za CRTC2).40 Osim toga, status fosforilacije CRTC -a regulira par serin/treonin fosfataza (PP2B ili PP4) kao odgovor na cAMP signalizaciju ili koncentraciju kalcija u stanici.41, 42 CRTC aktivnost je također dodatno poboljšana O.-GlcNAcilacija na serinu 171 i metilacija arginina proteinom arginin metiltransferazom (PRMT) 6.43, 44 Među članovima obitelji, CRTC2 je istaknuta izoforma u jetri. Nedavne studije razotkrile su ulogu CRTC2 u regulaciji jetrene glukoneogeneze in vivo. Rušenje CRTC2 u miševa pomoću RNAi smanjilo je razinu glukoze u krvi i dovelo do istodobne represije ekspresije glukoneogenih gena.36 Osim toga, miševi s nokautnim CRTC2 pokazali su niže razine glukoze u plazmi i poboljšanu toleranciju na glukozu, što doista pokazuje da je CRTC2 ključan u kontroli metabolizma jetrene glukoze in vivo.45 Nedavna studija pokazala je da bi CRTC2 mogao koaktivirati i druge transkripcijske faktore bZIP -a koji su uključeni u regulaciju homeostaze glukoze.46, 47 Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se razgraničili potencijalni doprinosi drugih čimbenika bZIP-a u kontroli jetrene glukoneogeneze korištenjem modela miševa nokaut-specifičnih za tkivo.

Okvir vilice O (FoxOs) pripada klasi transkripcijskih obitelji vilica koje prepoznaju element odgovora inzulina bogat AT na promotoru.48, 49 Od četiri glavne izooblike u sisavaca (FoxO1, FoxO3, FoxO4 i FoxO6), FoxO1 je prevladavajući izoform u jetri. Aktivnost ovog proteina također je regulirana subcelularnom lokalizacijom ovisnom o fosforilaciji, a tri glavna serinska i treoninska ostatka (treonin 24, serin 253 i serin 316 za mišji FoxO1) ciljaju se putem inzulina/Akt. Nakon fosforilacije, FoxO1 prelazi u citosol putem povezanosti s 14-3-3, gdje se razgrađuje putem ovisnim o ubikvitinu/proteasomu.50, 51, 52 Osim fosforilacije, pokazalo se da je FoxO1 reguliran HAT-ovisnom acetilacijom specifičnih ostataka lizina (lizin 242, 245 i 262 za mišji FoxO1), koji također inhibiraju njegovu transkripcijsku aktivnost.53 U jetri FoxO1 regulira jetrenu glukoneogenezu putem transkripcijske regulacije ključnih gena na putu kao što su PEPCK i G6Paza i smatra se glavnom regulatornom točkom za inzulinsku posredničku represiju jetrene glukoneogeneze.54 Doista, miševi s izlučivanjem FoxO1 specifičnim za jetru pokazali su niže razine glukoze u plazmi od onih povezanih sa smanjenim izlučivanjem glukoze u jetri, čime je podcrtano fiziološko značenje ovog faktora u kontroli homeostaze glukoze in vivo.54, 55 Kao i u slučaju CREB -a, FoxO1 zahtijeva transkripcijske koaktivatore za optimalnu transkripcijsku aktivnost.

Reaktor gama koaktivator 1 alfa (PGC-1α), aktiviran proliferatorom peroksisoma, poznat kao koaktivator za nuklearne receptore, funkcionira kao ključni transkripcijski koaktivator za FoxO1 u jetrenoj glukoneogenezi.56 PGC-1α je izvorno izoliran u smeđim adipocitima i pokazalo se da kontrolira adaptivnu termogenezu kao odgovor na hladni šok u tom okruženju.57 U jetri je ekspresija PGC-1α povećana u uvjetima gladovanja putem CRTC2-CREB-ovisnog mehanizma i ključna je za održavanje produžene glukoneogeneze pod gladovanjem pojačavanjem transkripcijske aktivnosti FoxO1 kao koaktivatora.38, 57, 58 Doista, iscrpljivanje jetrenog PGC-1α u miševa dovodi do nižih razina glukoze natašte uz istodobno smanjenje jetrene glukoneogeneze, pokazujući tako fiziološku važnost ovog koaktivatora u kontroli homeostaze glukoze.59, 60 Kao što je slučaj s CRTC2, aktivnost FoxO1 pojačana je metilacijom arginina pomoću PRMT -a. U ovom slučaju, PRMT1 potiče asimetričnu dimetilaciju arginina 248 i 250 u FoxO1, koja blokira vezivanje Akta i kasniju fosforilaciju posredovanu Aktom susjednog serinskog ostatka (serin 253), čime se pojačava nuklearna lokalizacija FoxO1.61 Posljedično, zauzimanje kromatina FoxO1 na glukoneogenom promotoru i sama glukoneogeneza povećavaju se zbog PRMT1-ovisne metilacije arginina.62 Akutno rušenje jetrenog PRMT1 u miševa smanjuje proizvodnju glukoze posredovanu FoxO1, potvrđujući da je PRMT1 ključan za moduliranje aktivnosti FoxO1 i kasniju glukoneogenezu u fiziološkom kontekstu.

Nuklearni receptori pripadaju nadporodici transkripcijskih faktora koji posjeduju dva motiva cinkovih prstiju tipa Cys2-His2 kao domenu vezanja za DNA, kao i transaktivacijske domene neovisne o ligandu i ovisne o ligandu.63 Potonja aktivacijska domena također sadrži domenu koja veže ligand. Nuklearni receptori mogu se klasificirati u jednu od tri podskupine na temelju njihovog potencijala za formiranje dimera. Homodimerni nuklearni receptori nazivaju se i citosolni receptori jer se nalaze u citosolu i povezuju se s molekularnim pratiocima poput proteina toplinskog šoka. Nakon vezanja za ligand, oni tvore homodimere i translociraju se u jezgru kako bi vezali specifični element odgovora nazvan elementom hormonskog odgovora kako bi izazvali transkripcijski odgovor ovisan o ligandu. Većina receptora steroidnih hormona, poput receptora glukokortikoida (GR), receptora estrogena (ER) i receptora progesterona (PR), pripada ovoj potporodici. Nasuprot tome, heterodimerni nuklearni receptori nalaze se u jezgri i vezani su za svoja srodna mjesta vezanja zajedno s univerzalnim partnerom za vezanje retinoid X receptor (RXR). U nedostatku liganda, ti čimbenici potiskuju transkripciju ciljnih gena u suradnji s transkripcijskim jezgrovitim supresorima poput histonske deacetilaze ili jezgrenog receptora jezgre (NCoR)/medijatora za utišavanje retinoidnih i receptora hormona štitnjače (SMRT). Vezanje liganda pokreće konformacijske promjene ovih heterodimernih nuklearnih receptora, što potiče disocijaciju corepressora i pridruživanje koaktivatora kao što su CBP/p300, obitelj koaktivatora steroidnih receptora p160 i PGC-1α.

Primjeri ove klase nuklearnih receptora uključuju članove receptora aktiviranih proliferatorom peroksisoma, LXR-a, receptora vitamina D i receptora hormona štitnjače. Posljednje podklase nuklearnih receptora su tipovi koji funkcioniraju kao monomeri. Obično im nedostaju specifični endogeni ligandi i često se nazivaju sirotički nuklearni receptori. Neki od njih također nemaju domenu vezanja za DNK te stoga funkcioniraju kao transkripcijski represivi različitih transkripcijskih faktora, uključujući članove nuklearnih receptora. Zovu se atipični nuklearni receptori siročad. Među homodimernim nuklearnim receptorima, uloga GR povezana je s kontrolom jetrene glukoneogeneze. GR aktivira kortizol, koji se oslobađa iz kore nadbubrežne žlijezde kao odgovor na kronične stresove, poput produljenog gladovanja.64, 65 Pokazalo se da se GR izravno veže na srodna mjesta vezanja koja se nalaze u promotorima glukoneogenih gena kao što su PEPCK i G6Paza te da pojačava transkripciju ovih gena u uvjetima posta. Pokazalo se da su isti elementi odgovora prepoznati i regulirani nuklearnim faktorom 4 hepatocita (HNF4), članom heterodimernih nuklearnih receptora, što sugerira da bi ti nuklearni receptori mogli koordinirano funkcionirati za kontrolu jetrene glukoneogeneze kao odgovor na post.58

U skladu s tom idejom, aktivnost ovih nuklearnih receptora može se učinkovito integrirati funkcijom transkripcijskog koaktivatora PGC-1α. Nedavno se pokazalo da je receptorska gama povezana s estrogenom (ERRγ), član monomernih nuklearnih receptora, uključena u regulaciju jetrene glukoneogeneze.66, 67 U jetri se ekspresija ERRγ povećava natašte ili rezistencijom na inzulin na način ovisan o CRTC2-CREB. Ovaj faktor regulira jetrenu glukoneogenezu vezanjem na jedinstvene elemente odgovora koji se razlikuju od poznatih mjesta vezanja nuklearnih receptora u promotorima PEPCK i G6Paze. Inhibicija ERRγ aktivnosti ubrizgavanjem RNAi ili inverznog agonista GSK5182 učinkovito je smanjila hiperglikemiju u miševa s dijabetesom, što ukazuje na to da bi kontrola ovog faktora mogla biti potencijalno korisna u liječenju pacijenata s metaboličkim bolestima. Kao što je slučaj s drugim nuklearnim receptorima koji kontroliraju jetrenu glukoneogenezu, aktivnost ERRγ dodatno se pojačava interakcijom s transkripcijskim koaktivatorom PGC-1α, pokazujući da ovaj koaktivator funkcionira kao glavni regulator metabolizma jetrene glukoze.

Tri člana atipičnih nuklearnih receptora siročadi, mali partner heterodimera (SHP, također poznat kao NR0B2); preokret spola osjetljiv na dozu, kritično područje nadbubrežne hipoplazije, na kromosomu X (DAX-1, također poznat kao NR0B1); i protein leucine zatvarača s interakcijom SHP (SMILE) su uključeni u transkripcijsku represiju jetrene glukoneogeneze.68, 69, 70 SHP je sveprisutno izražen u tkivima sisavaca, a najveća ekspresija se javlja u jetri. Zanimljivo je da metformin izravno aktivira transkripciju SHP putem koji posreduje AMPK. SHP izravno inhibira cAMP-ovisnu transkripciju vezanjem za CREB, što rezultira smanjenom povezanošću CREB-a s CRTC2.71, 72 Prekomjerna ekspresija SHP posredovana adenovirusom mogla bi učinkovito smanjiti razinu glukoze u krvi kod miševa s dijabetesom, pokazujući tako važnost ovog puta u kontroli metabolizma jetrene glukoze.

Ovi rezultati pružaju dvostruki mehanizam za put ovisan o metforminu-AMPK za inhibiranje jetrene glukoneogeneze na transkripcijskoj razini; akutna regulacija fosforilacije CRTC2 radi inhibiranja transkripcijskog kruga ovisnog o CRTC2-CREB; te dugotrajnu regulaciju glukoneogene transkripcije pojačanom ekspresijom SHP. Pokazalo se da i DAX-1 i SMILE potiskuju jetrenu glukoneogenezu inhibiranjem transkripcijskih događaja ovisnih o HNF4.73, 74 SIK1, član kinaza povezanih s AMPK, pokazao je da pojačava ekspresiju DAX-1 u jetri, dok je pokazano da Akt aktivira transkripciju SMILE-a kako bi ciljao put HNF4 u uvjetima hranjenja. Zanimljivo je da se pokazalo da SMILE izravno zamjenjuje PGC-1α iz HNF4 i glukoneogenih promotora, što ukazuje na to da bi ovaj faktor mogao potencijalno funkcionirati kao glavni transkripcijski represor jetrene glukoneogeneze kao odgovor na signalizaciju inzulina.Potrebna su daljnja proučavanja kako bi se u potpunosti razumio relativni doprinos ovih nuklearnih receptora u kontroli homeostaze glukoze u fiziološkim i patološkim uvjetima.

Zaključne napomene

U ovom smo pregledu pokušali opisati trenutno razumijevanje regulacije metabolizma glukoze u jetri sisavaca. U uvjetima hranjenja, glukoza, glavni monomer heksoze prehrambenih ugljikohidrata, unosi se u jetru i oksidira glikolizom. Višak glukoze koji se ne koristi kao neposredno gorivo za energiju u početku se skladišti kao glikogen, a kasnije se lipogenezom pretvara u triacilglicerole. Glikogeneza se aktivira inaktivacijom GSK-3 posredovanom inzulinom, što dovodi do aktivacije glikogen sintaze i povećanih zaliha glikogena u jetri. Inzulin je također kritičan u aktivaciji PP1, koji funkcionira tako da defosforilira i aktivira glikogen sintazu. Osim toga, PP1 inhibira glikogenolizu putem defosforilacije/inaktivacije glikogen fosforilaze. Glikoliza se kontrolira regulacijom tri enzima koji ograničavaju brzinu: GK, PFK-1 i L-PK. Aktivnosti ovih enzima akutno su regulirane alosterijskim regulatorima kao što su ATP, AMP i F26BP, ali se također kontroliraju na razini transkripcije. Dva su istaknuta transkripcijska faktora SREBP-1c i ChREBP, koji reguliraju ne samo spomenute gene glikolitičkog enzima, već i gene koji kodiraju enzime za biosintezu masnih kiselina i sintezu triacilglicerola (zajednički nazvani lipogeneza).

Važnost ovih transkripcijskih faktora u kontroli glikolize i biosinteze masnih kiselina potvrđena je studijama nokaut miša, kako je opisano u glavnom tekstu. Jetra također ima kritičnu ulogu u kontroli homeostaze glukoze u uvjetima posta. U početku, inzulinski proturegulacijski hormoni, poput glukagona i epinefrina, kritični su u aktiviranju kaskada kinaza koje pokreće PKA i koje promiču glikogen fosforilazu i glikogenolizu u jetri, omogućujući tako tom tkivu da osigura dovoljno goriva za periferna tkiva poput mozga, crvenih krvnih stanica i mišića. Nakon toga, ti su hormoni zajedno s adrenalnim kortizolom ključni u pokretanju transkripcijske aktivacije glukoneogeneze, poput PC -a, PEPCK -a i G6Pase. Glavni transkripcijski čimbenici uključeni u put uključuju CREB, FoxO1 i članove nuklearnih receptora, uz pomoć transkripcijskih koaktivatora kao što su CRTC, PGC-1α i PRMT. Ovi adaptivni odgovori kritični su za održavanje homeostaze glukoze u vrijeme gladovanja u sisavaca. Potrebna su daljnja proučavanja korištenjem jetrenih nokaut miševa za svaki regulator metabolizma jetrene glukoze kako bi se dobio bolji uvid u složene mehanizme kontrole homeostaze glukoze u sisavaca.

Reference

  1. 1

    Nordlie RC, Foster JD, Lange AJ. Regulacija proizvodnje glukoze u jetri. Poništi rev Nutr 1999; 19: 379–406.

    CAS članak Google učenjak

  2. 2

    Towle HC, Kaytor EN, Shih HM. Regulacija ekspresije gena lipogenih enzima ugljikohidratima. Annu Rev Nutr 1997; 17: 405–433.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  3. 3

    Roach PJ. Glikogen i njegov metabolizam. Curr Mol Med 2002; 2: 101–120.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  4. 4

    van de Werve G, Jeanrenaud B. Metabolizam jetrenog glikogena: pregled. Dijabetes Metab Rev 1987; 3: 47–78.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  5. 5

    Ros S, Garcia-Rocha M, Dominguez J, Ferrer JC, Guinovart JJ. Kontrola aktivnosti glikogen sintaze jetre i unutarstanične distribucije fosforilacijom. J Biol Chem 2009; 284: 6370–6378.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  6. 6

    Agius L. Uloga glikogen fosforilaze u metabolizmu glikogena u jetri. Mol Aspects Med 2015; 46: 34–45.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  7. 7

    Pilkis SJ, Claus TH. Jetrna glukoneogeneza/glikoliza: regulacija i odnosi strukture/funkcije supstratskih ciklusa. Annu Rev Nutr 1991; 11: 465–515.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  8. 8

    Pilkis SJ, Claus TH, el-Maghrabi MR. Uloga cikličkog AMP-a u brzoj i dugoročnoj regulaciji glukoneogeneze i glikolize. Adv Second Messenger Phosphoprotein Res 1988; 22: 175–191.

    CAS PubMed Google učenjak

  9. 9

    Pilkis SJ, el-Maghrabi MR, Claus TH. Hormonska regulacija jetrene glukoneogeneze i glikolize. Annu Rev Biochem 1988; 57: 755–783.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  10. 10

    Brouwers MC, Jacobs C, Bast A, Stehouwer CD, Schaper NC. Modulacija regulatornog proteina glukokinaze: dvosjekli mač? Trendovi Mol Med 2015; 21: 583–594.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  11. 11

    Dentin R, Girard J, Postic C. Vezivni protein koji reagira na ugljikohidrate (ChREBP) i protein koji veže regulatorne elemente sterola-1c (SREBP-1c): dva ključna regulatora metabolizma glukoze i sinteze lipida u jetri. Biochimie 2005; 87: 81–86.

    CAS članak Google učenjak

  12. 12

    Horton JD, Goldstein JL, Brown MS. SREBP: aktivatori cjelovitog programa sinteze kolesterola i masnih kiselina u jetri. J Clin Invest 2002; 109: 1125–1131.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  13. 13

    Shimano H, Yahagi N, Amemiya-Kudo M, Hasty AH, Osuga J, Tamura Y et al. Sterol regulator-vezujući protein-1 protein koji je ključni transkripcijski faktor za nutritivnu indukciju gena lipogenih enzima. J Biol Chem 1999; 274: 35832–35839.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  14. 14

    Im SS, Yousef L, Blaschitz C, Liu JZ, Edwards RA, Young SG et al. Povezivanje metabolizma lipida s urođenim imunološkim odgovorom u makrofazima putem proteina-1a koji veže sterolne elemente. Stanični metab 2011; 13: 540–549.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  15. 15

    Jeon TI, Osborne TF. SREBP: metabolički integratori u fiziologiji i metabolizmu. Trendovi Endocrinol Metab 2012; 23: 65–72.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  16. 16

    Repa JJ, Liang G, Ou J, Bašmakov Y, Lobaccaro JM, Shimomura I et al. Regulacija gena proteina-1c koji veže regulator mišićnog sterola za protein-1c (SREBP-1c) pomoću receptora oksisterola, LXRalpha i LXRbeta. Genes Dev 2000; 14: 2819–2830.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  17. 17

    Lu M, sramežljivi JY. Protein 1 koji veže sterolne regulacijske elemente negativno je moduliran PKA fosforilacijom. Am J Physiol Cell Physiol 2006; 290: C1477 – C1486.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  18. 18

    Bengoechea-Alonso MT, Ericsson J. Kaskada fosforilacije kontrolira razgradnju aktivnog SREBP1. J Biol Chem 2009; 284: 5885–5895.

    CAS članak Google učenjak

  19. 19

    Yoon YS, Seo WY, Lee MW, Kim ST, Koo SH. Kinaza inducirana solju regulira lipogenezu jetre kontroliranjem fosforilacije SREBP-1c. J Biol Chem 2009; 284: 10446–10452.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  20. 20

    Li Y, Xu S, Mihaylova MM, Zheng B, Hou X, Jiang B et al. AMPK fosforilira i inhibira aktivnost SREBP-a radi umanjivanja jetrene steatoze i ateroskleroze u miševa rezistentnih na inzulin. Stanični metab 2011; 13: 376–388.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  21. 21

    Yamashita H, Takenoshita M, Sakurai M, Bruick RK, Henzel WJ, Shillinglaw W et al. Transkripcijski faktor koji reagira na glukozu i regulira metabolizam ugljikohidrata u jetri. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 9116–9121.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  22. 22

    Ma L, Tsatsos NG, Towle HC. Izravna uloga ChREBP.Mlx u regulaciji jetrenih gena koji reagiraju na glukozu. J Biol Chem 2005; 280: 12019–12027.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  23. 23

    Mitro N, Mak PA, Vargas L, Godio C, Hampton E, Molteni V et al. Nuklearni receptor LXR je senzor glukoze. Priroda 2007; 445: 219–223.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  24. 24

    Denechaud PD, Bossard P, Lobaccaro JM, Millatt L, Staels B, Girard J et al. ChREBP, ali ne i LXR, potreban je za indukciju gena reguliranih glukozom u jetri miša. J Clin Invest 2008; 118: 956–964.

    CAS PubMed PubMed Središnji Google učenjak

  25. 25

    Kawaguchi T, Osatomi K, Yamashita H, Kabashima T, Uyeda K. Mehanizam učinka "štednje" masnih kiselina na transkripciju izazvanu glukozom: regulacija proteina koji veže elemente na ugljikohidrate koji reagira na protein-kinazu aktiviranu AMP-om. J Biol Chem 2002; 277: 3829–3835.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  26. 26

    Kawaguchi T, Takenoshita M, Kabashima T, Uyeda K. Glukoza i cAMP reguliraju gen piruvat kinaze L-tipa fosforilacijom/defosforilacijom proteina koji veže element ugljikohidrata. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 13710–13715.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  27. 27

    Tsatsos NG, Davies MN, O'Callaghan BL, Towle HC. Identifikacija i funkcija fosforilacije u transkripcijskom faktoru reguliranom glukozom ChREBP. Biochem J 2008; 411: 261–270.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  28. 28

    Tsatsos NG, Towle HC. Aktiviranje ChREBP-a glukoze u hepatocitima odvija se putem dvostupanjskog mehanizma. Biochem Biophys Res Commun 2006; 340: 449–456.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  29. 29

    Iizuka K, Horikawa Y. ChREBP: transkripcijski faktor aktiviran glukozom uključen u razvoj metaboličkog sindroma. Endocr J 2008; 55: 617–624.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  30. 30

    Dentin R, Benhamed F, Hainault I, Fauveau V, Foufelle F, Dyck JR et al. Inhibicija ChREBP-a specifična za jetru poboljšava steatozu jetre i rezistenciju na inzulin u miša ob/ob. Dijabetes 2006; 55: 2159–2170.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  31. 31

    Oh KJ, Han HS, Kim MJ, Koo SH. CREB i FoxO1: dva transkripcijska faktora za regulaciju jetrene glukoneogeneze. BMB Rep 2013; 46: 567–574.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  32. 32

    Arias J, Alberts AS, Brindle P, Claret FX, Smeal T, Karin M et al. Aktivacija gena koji reagiraju na cAMP i mitogen oslanja se na zajednički nuklearni faktor. Priroda 1994; 370: 226–229.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  33. 33

    Chrivia JC, Kwok RP, Lamb N, Hagiwara M, Montminy MR, Goodman RH. Fosforilirani CREB specifično se veže za nuklearni protein CBP. Priroda 1993; 365: 855–859.

    CAS članak Google učenjak

  34. 34

    Altarejos JY, Montminy M CREB i koaktivatori CRTC: senzori za hormonalne i metaboličke signale. Nat Rev Mol Cell Biol 2011; 12: 141–151.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  35. 35

    Conkright MD, Canettieri G, Screaton R, Guzman E, Miraglia L, Hogenesch JB et al. TORC -i: pretvarači regulirane aktivnosti CREB -a. Mol stanica 2003; 12 (2): 413–423.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  36. 36

    Koo SH, Flechner L, Qi L, Zhang X, Screaton RA, Jeffries S et al. CREB koaktivator TORC2 ključni je regulator metabolizma glukoze natašte. Priroda 2005; 437: 1109–1111.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  37. 37

    Erion DM, Ignatova ID, Yonemitsu S, Nagai Y, Chatterjee P, Weismann D et al. Prevencija jetrene steatoze i jetrene inzulinske rezistencije nokaundiranjem proteina koji veže element cAMP odgovora. Stanični metab 2009; 10: 499–506.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  38. 38

    Herzig S, Long F, Jhala US, Hedrick S, Quinn R, Bauer A et al. CREB regulira jetrenu glukoneogenezu putem koaktivatora PGC-1. Priroda 2001; 413: 179–183.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  39. 39

    Bedford DC, Kasper LH, Wang R, Chang Y, Green DR, Brindle PK. Poremećaj strukture domene CH1 u acetiltransferazama CBP i p300 rezultira mršavim miševima s povećanom metaboličkom kontrolom. Stanični metab 2011; 14: 219–230.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  40. 40

    Screaton RA, Conkright MD, Katoh Y, Best JL, Canettieri G, Jeffries S et al. CREB koaktivator TORC2 funkcionira kao detektor slučajnosti osjetljiv na kalcij i cAMP. Stanica 2004; 119: 61–74.

    CAS članak Google učenjak

  41. 41

    Wang Y, Li G, Goode J, Paz JC, Ouyang K, Screaton R et al. Inozitol-1,4,5-trisfosfatni receptor regulira jetrenu glukoneogenezu kod posta i dijabetesa. Priroda 2012; 485: 128–132.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  42. 42

    Yoon YS, Lee MW, Ryu D, Kim JH, Ma H, Seo WY et al. Supresor nuklearne MEK (SMEK)/proteinske fosfataze 4 katalitičke podjedinice (PP4C) ključni je regulator jetrene glukoneogeneze. Proc Natl Acad Sci USA a 2010; 107: 17704–17709.

    CAS članak Google učenjak

  43. 43

    Dentin R, Hedrick S, Xie J, Yates J 3., Montminy M. Prepoznavanje jetrene glukoze putem CREB koaktivatora CRTC2. Znanost 2008; 319: 1402–1405.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  44. 44

    Han HS, Jung CY, Yoon YS, Choi S, Choi D, Kang G et al. Metilacija arginina CRTC2 kritična je u kontroli transkripcije metabolizma jetrene glukoze. Znanstveni signal 2014; 7: ra19.

    PubMed članak Google znalca

  45. 45

    Wang Y, Inoue H, Ravnskjaer K, Viste K, Miller N, Liu Y et al. Ciljani poremećaj koaktivatora CREB Crtc2 povećava osjetljivost na inzulin. Proc Natl Acad Sci USA 2010; 107: 3087–3092.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  46. 46

    Lee MW, Chanda D, Yang J, Oh H, Kim SS, Yoon YS et al. Regulacija jetrene glukoneogeneze pomoću transkripcijskog faktora vezanog za ER, CREBH. Stanični metab 2010; 11: 331–339.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  47. 47

    Wang Y, Vera L, Fischer WH, Montminy M. CREB koaktivator CRTC2 povezuje jetreni ER stres i glukoneogenezu natašte. Priroda 2009; 460: 534–537.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  48. 48

    Accili D, Arden KC. FoxOs na raskrižju staničnog metabolizma, diferencijacije i transformacije. Stanica 2004; 117: 421–426.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  49. 49

    Barthel A, Schmoll D, Unterman TG. Proteini FoxO u djelovanju inzulina i metabolizmu. Trendovi Endocrinol Metab 2005; 16: 183–189.

    CAS članak Google učenjak

  50. 50

    Biggs WH 3., Meisenhelder J, Hunter T, Cavenee WK, Arden KC. Protein kinaza B/Akt-posredovana fosforilacija potiče nuklearno isključivanje transkripcijskog faktora krilate spirale FKHR1. Proc Natl Acad Sci USA 1999; 96: 7421–7426.

    CAS članak Google učenjak

  51. 51

    Brunet A, Bonni A, Zigmond MJ, Lin MZ, Juo P, Hu LS et al. Akt potiče preživljavanje stanica fosforiliranjem i inhibiranjem Forkhead transkripcijskog faktora. Stanica 1999; 96: 857–868.

    CAS članak Google učenjak

  52. 52

    Nakae J, Park BC, Accili D. Inzulin stimulira fosforilaciju transkripcijskog faktora vilice FKHR na serinu 253 putem koji je osjetljiv na Wortmannin. J Biol Chem 1999; 274: 15982–15985.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  53. 53

    Daitoku H, Hatta M, Matsuzaki H, Aratani S, Ohshima T, Miyagishi M et al. Regulator tihih informacija 2 potencira transkripciju posredovanu Foxo1 kroz svoju aktivnost deacetilaze. Proc Natl Acad Sci USA 2004; 101: 10042–10047.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  54. 54

    Haeusler RA, Kaestner KH, Accili D. FoxOs djeluju sinergijski kako bi potaknuli proizvodnju glukoze. J Biol Chem 2010; 285: 35245–35248.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  55. 55

    Matsumoto M, Pocai A, Rossetti L, Depinho RA, Accili D. Poremećena regulacija proizvodnje glukoze u jetri u miševa kojima nedostaje transkripcijski faktor vilice Foxo1 u jetri. Stanični metab 2007; 6: 208–216.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  56. 56

    Puigserver P, Rhee J, Donovan J, Walkey CJ, Yoon JC, Oriente F et al. Inzulinski regulirana jetrena glukoneogeneza kroz interakciju FOXO1-PGC-1alfa. Priroda 2003; 423: 550–555.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  57. 57

    Puigserver P, Wu Z, Park CW, Graves R, Wright M, Spiegelman BM. Hladno induciran koaktivator nuklearnih receptora povezan s adaptivnom termogenezom. Stanica 1998; 92: 829–839.

    CAS članak Google učenjak

  58. 58

    Yoon JC, Puigserver P, Chen G, Donovan J, Wu Z, Rhee J et al. Kontrola jetrene glukoneogeneze putem transkripcijskog koaktivatora PGC-1. Priroda 2001; 413: 131–138.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  59. 59

    Koo SH, Satoh H, Herzig S, Lee CH, Hedrick S, Kulkarni R et al. PGC-1 potiče inzulinsku rezistenciju u jetri putem PPAR-alfa-ovisne indukcije TRB-3. Nat Med 2004; 10: 530–534.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  60. 60

    Lin J, Wu PH, Tarr PT, Lindenberg KS, St-Pierre J, Zhang CY et al. Nedostaci u adaptivnom energetskom metabolizmu s hiperaktivnošću povezanom s CNS-om u PGC-1 alfa nula miševa. Stanica 2004; 119: 121–135.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  61. 61

    Yamagata K, Daitoku H, Takahashi Y, Namiki K, Hisatake K, Kako K et al. Metilacija arginin transkripcijskih faktora FOXO inhibira njihovu fosforilaciju pomoću Akt. Mol stanica 2008; 32: 221–231.

    CAS članak Google učenjak

  62. 62

    Choi D, Oh KJ, Han HS, Yoon YS, Jung CY, Kim ST et al. Protein arginin metiltransferaza 1 regulira proizvodnju glukoze u jetri na način ovisan o FoxO1. Hepatologija 2012; 56: 1546–1556.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  63. 63

    Evans RM, DJ iz Mangelsdorfa. Nuklearni receptori, RXR i Veliki prasak. Stanica 2014; 157: 255–266.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  64. 64

    van Schaftingen E, Gerin I. Sustav glukoza-6-fosfataze. Biochem J 2002; 362: 513–532.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  65. 65

    Zinker B, Mika A, Nguyen P, Wilcox D, Ohman L, von Geldern TW et al. Jetro selektivni antagonizam glukokortikoidnih receptora smanjuje proizvodnju glukoze i povećava odlaganje glukoze, poboljšavajući inzulinsku rezistenciju. Metabolizam 2007; 56: 380–387.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  66. 66

    Kim DK, Gang GT, Ryu D, Koh M, Kim YN, Kim SS et al. Inverzni agonist nuklearnog receptora ERRgama posreduje u antidijabetičkom učinku inhibicijom jetrene glukoneogeneze. Dijabetes 2013; 62: 3093–3102.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  67. 67

    Kim DK, Ryu D, Koh M, Lee MW, Lim D, Kim MJ et al. Gama receptora povezanog s estrogenom povezanim s nuklearnim receptorom siročad (ERRgamma) ključni je regulator jetrene glukoneogeneze. J Biol Chem 2012; 287: 21628–21639.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  68. 68

    Iyer AK, McCabe ER. Molekularni mehanizmi djelovanja DAX1. Mol Genet Metab 2004; 83: 60–73.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  69. 69

    Seol W, Choi HS, Moore DD. Receptor nuklearnog hormona siročeta kojem nedostaje domena koja veže DNA i heterodimerizira s drugim receptorima. Znanost 1996; 272: 1336–1339.

    CAS članak Google učenjak

  70. 70

    Xie YB, Lee OH, Nedumaran B, Seong HA, Lee KM, Ha H et al. SMILE, novi protein s nuklearnim nuklearnim receptorom siročad koji ima interakciju s SHP, regulira transaktivaciju receptora estrogena potisnutih SHP. Biochem J 2008; 416: 463–473.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  71. 71

    Kim YD, Park KG, Lee YS, Park YY, Kim DK, Nedumaran B et al. Metformin inhibira jetrenu glukoneogenezu putem AMP-aktivirane proteinske kinaze ovisne regulacije nuklearnog receptora sirotinje SHP. Dijabetes 2008; 57: 306–314.

    CAS PubMed članak Google učenjak

  72. 72

    Lee JM, Seo WY, Song KH, Chanda D, Kim YD, Kim DK et al. AMPK-ovisna represija jetrene glukoneogeneze prekidom kompleksa CREB.CRTC2 od strane partnera heterodimera sirote nuklearnog receptora. J Biol Chem 2010; 285: 32182–32191.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  73. 73

    Nedumaran B, Hong S, Xie YB, Kim YH, Seo WY, Lee MW et al. DAX-1 djeluje kao novi jezgreni potpornik sirotog nuklearnog receptora HNF4alpha i negativno regulira ekspresiju gena glukoneogenih enzima. J Biol Chem 2009; 284: 27511–27523.

    CAS PubMed PubMed Central Članak Google učenjak

  74. 74

    Lee JM, Seo WY, Han HS, Oh KJ, Lee YS, Kim DK et al. SMILE induciran inzulinom inhibira jetrenu glukoneogenezu. Dijabetes 2016; 65: 62–73.

    CAS PubMed Google učenjak

Preuzmite reference

Zahvalnice

Ovaj rad je podržan od strane Nacionalne istraživačke zaklade Koreje (grantovi: NRF-2012M3A9B6055345, NRF-2015R1A5A1009024 i NRF-2015R1A2A1A01006687), financirano od Ministarstva znanosti, ICT-a i planiranja budućnosti, Republika Koreja, donacija Koreje Projekt istraživanja i razvoja zdravstvene tehnologije (br. Potpore: HI13C1886), Ministarstvo zdravstva i socijalne skrbi, Republika Koreja i bespovratna sredstva Sveučilišta Korea, Seul, Republika Koreja.

Pripadnosti

  1. Odjel znanosti o životu, Fakultet znanosti o životu i biotehnologije, Sveučilište Korea, Seul, 136-713, Koreja

    Hye-Sook Han, Geon Kang, Jun Seok Kim, Byeong Hoon Choi i Seung-Hoi Koo

Etičke deklaracije

Konkurentni interesi

Autori izjavljuju da nema sukoba interesa.

Prava i dopuštenja

Ovo djelo je licencirano pod Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 međunarodnom licencom. Slike ili drugi materijali trećih strana u ovom članku uključeni su u licencu članka Creative Commons, osim ako je u kreditnoj liniji drugačije naznačeno; ako materijal nije uključen pod licencu Creative Commons, korisnici će morati dobiti dozvolu od vlasnika licence za reprodukciju materijala. Za pregled kopije ove licence posjetite http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/


Metabolički odgovor domaćina i terapijski pristupi infekciji gripom

Na temelju dostupnih metabolomičkih studija, infekcija gripom utječe na različite stanične metaboličke putove kako bi se osiguralo optimalno okruženje za njezinu replikaciju i proizvodnju virusnih čestica. Nakon infekcije, unos glukoze i aerobna glikoliza kontinuirano se povećavaju u zaraženim stanicama, što rezultira većom potrošnjom glukoze. Šant pentoznog fosfata, kao još jedan put konzumiranja glukoze, pojačan je infekcijom gripom kako bi pomogao u proizvodnji više nukleotida, posebno ATP-a. Što se tiče vrsta lipida, nakon infekcije, razine triglicerida, fosfolipida i nekoliko derivata lipida prolaze kroz poremećaje, od kojih su neki povezani s upalnim odgovorima. Također, β-oksidacija mitohondrijske masne kiseline značajno se smanjuje istodobno s povećanjem biosinteze masnih kiselina i membranskih lipida. Štoviše, pokazalo se da esencijalne aminokiseline opadaju u zaraženim tkivima zbog proizvodnje velikih količina virusnih i staničnih proteina. S druge strane, imunološki odgovori na infekciju gripom mogli bi značajno utjecati na metaboličke putove. Uglavnom, proizvodnja interferona (IFN) nakon virusne infekcije utječe na funkciju stanica promjenom sinteze aminokiselina, sastava membrane i metabolizma lipida. Razumijevanje metaboličkih promjena potrebnih za replikaciju virusa influence otkrilo je nove terapijske metode temeljene na ciljanoj inhibiciji ovih staničnih metaboličkih puteva.


GLUKAGON JE KLJUČNI REGULATOR HOMEOSTAZE GLUKOSE U VIVU

Glukagon igra ključnu ulogu u metabolizmu glukoze in vivo. Primjena egzogenog glukagona povećava razinu glukoze u životinja koje su gladovale ili hranjene (63, 96), a slična su opažanja izvršena i u ljudi (29, 42, 57). U skladu sa svojom ulogom proturegulacijskog hormona inzulina, glukagon povisuje razinu glukoze u plazmi kao odgovor na hipoglikemiju izazvanu inzulinom (29). Zapravo, primjena glukagona klinički se koristi za liječenje hipoglikemije kod ljudi (14, 29, 35). Brojna istraživanja ex vivo ili in vitro izravno su pokazala da glukagon stimulira izlučivanje glukoze iz netaknute perfuzirane jetre štakora (7, 28, 43) koja je posljedica povećanja glikogenolize i glukoneogeneze. Slično, glukagon također potiče izlučivanje glukoze iz primarnih hepatocita u kulturi (60, 92, 93).

Nekoliko dokaza ukazuje na to da je glukagon osjetljiv i pravodoban regulator homeostaze glukoze in vivo. Male doze glukagona dovoljne su da izazovu značajno povišenje glukoze (35, 57, 63). Učinak glukagona može se pojaviti u roku od nekoliko minuta i brzo se raspršiti (27). Glukagon se luči iz otočića na pulsirajući način (65), a takve pulsirajuće isporuke glukagona učinkovitije su u induciranju izlučivanja glukoze u jetri in vitro, ex vivo i in vivo (49, 66,92).

Nasuprot tome, postoje brojni dokazi koji pokazuju da inhibicija signalizacije glukagona in vivo dovodi do smanjenja glukoze u plazmi ili hipoglikemije. Pokazalo se da je primjena poliklonskih antitijela koja neutraliziraju glukagon ukinula hiperglikemijski odgovor na egzogeni glukagon u životinja (83). Slično je opaženo korištenjem visokoafinitetnog monoklonalnog protutijela protiv glukagona (11). Dodatno, monoklonsko protutijelo smanjilo je glukozu u krvi iz okoline neutralizirajući endogeni glukagon u normalnih ili dijabetičnih životinja (9-11). U tim pokusima, protutijela na glukagon smanjila su slobodni glukagon u cirkulaciji na nemjerljivu razinu (9-11).

Kao što je ranije rečeno, glukagon se obrađuje iz proglukagona u α-stanicama gušterače pomoću PC2 (32, 74, 76). U PC2-null (PC2 -/ - ) miševi, cirkulirajući glukagon nije se mogao otkriti zbog ozbiljnog nedostatka u preradi proglukagona (30). Zanimljivo, PC2 -/ - miševi su smanjili glukozu u krvi natašte, kao i poboljšali toleranciju glukoze. Štoviše, PC2 -/ - miševi su imali značajnu hipertrofiju α-stanica, što je bilo u skladu s kompenzacijskim odgovorom zbog nedostatka funkcionalnog glukagona. Dok je korelacija između fenotipa hipoglikemije i nedostatka cirkulirajućeg glukagona u PC2 -/ - miševi sukladni su s glavnom ulogom glukagona u kontroli glikemije, prijedlog je kompliciran nalazom da su miševi također bili neispravni u preradi proinzulina u inzulin (30, 32). Nedavno je pokazano, međutim, da je zamjena glukagona putem mikroosmotske pumpe korigirala hipoglikemiju i hipertrofiju α-stanica u PC2 -/ - miševa, dokazujući nedvojbenu ulogu glukagona u homeostazi glukoze in vivo (91).

Mali kiseli protein, 7B2, isključivo je lokaliziran u neuroendokrinim tkivima, a veže se i aktivira PC2 (62). Pokazalo se da su 7B2-nulti miševi pokazali hipoglukagonemiju kao i hipoglikemiju (94). Konačno, miševi kojima nedostaje gen receptora za glukagon (GCGR -/ - ) je pokazao fenotip smanjene glikemije i u stanju hranjenja i natašte u usporedbi s kontrolnim miševima. Nije primijećena izrazita hipoglikemijaGCGR -/ - miševi u uvjetima okoline, a ti su miševi također imali poboljšanu toleranciju glukoze (67). Zajedno, ovi rezultati podupiru važnu ulogu glukagona u kontroli glikemije in vivo.


Metabolička regulacija u vremenu i prostoru

Za razliku od općeg viđenja metabolizma kao homogenog unutar i između stanica, nedavni nalazi ukazuju na izrazitu prostornu podjelu metabolizma na međustaničnoj/tkivnoj i podstaničnoj razini. Osim toga, postaje jasno da se energetski metabolizam dinamički regulira ne samo u prostoru, već i u vremenu, na mnogim mjerilima. U nastavku ističemo nekoliko primjera takve prostorno -vremenske kompartmentalizacije metabolizma.

Regulacija na međustaničnoj/tkivnoj razini

Metabolička aktivnost prostorno je regulirana na staničnoj i tkivnoj razini. U mozgu, na primjer, metabolizam glukoze je podijeljen između neurona i astrocita. Neuroni pokazuju nižu glikolitičku aktivnost od astrocita zbog stalne razgradnje enzima 6-fosfofrukto-2-kinaza/fruktoza-2,6-bisfosfatse-3 (PFKFB3), koji proizvodi snažan alosterični aktivator ključnog glikolitičkog enzima fosfofruktokinaze 1 (PFK-1) (Almeida i sur., 2004 Herrero-Mendez i sur., 2009). Takva međustanična kompartmentalizacija stvara gradijent glikolitičkog krajnjeg produkta laktata od astrocita do neurona (Mächler i sur., 2016.), što dovodi do protoka laktata iz astrocita u neurone putem olakšanog transporta. Neuroni pak oksidiraju laktat u CO2 kroz ciklus trikarboksilne kiseline (TCA), olakšavajući stvaranje ATP -a putem OXPHOS -a (Pellerin i Magistretti, 2012.). Ovaj laktatni brod astrocit-neuron omogućuje neuronima da prednost koriste glukozu za održavanje stanične redoks ravnoteže, a ne za proizvodnju energije. Neuroni prvenstveno metaboliziraju glukozu putem pentoza fosfatnog puta (PPP), koji osigurava proizvodnju redukcijskog sredstva NADPH (Herrero-Mendez i sur., 2009.). Kad su neuroni prisiljeni aktivirati glikolizu na račun protoka glukoze putem PPP-a, nedostatak redukcijskih ekvivalenata dovodi do apoptoze neurona zbog oksidativnog stresa (Herrero-Mendez i sur., 2009.). Slična metabolička interakcija primijećena je u crijevnim organoidima u ovom slučaju, prebacivanje laktata iz Panethovih stanica u crijevne matične stanice potiče mitohondrijsko disanje i proizvodnju ROS-a za poticanje stvaranja kripti (Rodríguez-Colman i sur., 2017.).

Još jedan upečatljiv primjer prostornih međustaničnih metaboličkih razlika opažen je tijekom asimetrične stanične diobe T stanica. Nakon aktivacije T-stanica stanicama koje proizvode antigen, Myc, regulator glikolize i glutaminolize (Dang, 2017. Wang i sur., 2011.), asimetrično je podijeljen u stanice kćeri, što dovodi do metaboličke asimetrije (Verbist i sur., 2016. ). Predloženo je da se ova Myc asimetrija održava diferencijalnom aktivacijom meta sisavaca rapamicin kompleksa 1 (mTORC1) između stanica kćeri putem asimetrične raspodjele transportera aminokiselina tijekom diobe stanica. Funkcionalno, stanice kćeri s visokom razinom Myc pokazuju povišenu glikolizu i glutaminolizu u usporedbi sa stanicama koje imaju niske razine Myc i sklonije su diferencijaciji u aktivno proliferirajuće efektorske T stanice nego u memorijske T stanice (Verbist i sur., 2016.). Ovaj metabolički prelazak u visoko glikolitičko stanje također ima važne funkcionalne posljedice (o kojima će biti riječi u nastavku).

Regulacija na podstaničnoj razini

Metabolizam stanične energije također je jako podijeljen na podstaničnoj razini. Iako su glikolitičke reakcije posredovane topljivim glikolitičkim enzimima, klasična su istraživanja pokazala da ti enzimi nisu ravnomjerno raspoređeni po citoplazmi, već su sastavljeni u proteinske komplekse nazvane glikolitički metaboloni, koji olakšavaju usmjeravanje glikolitičkih međuprodukata (Clarke i Masters, 1975. Kurganov i sur., 1985. Menard i sur., 2014.). Sastav glikolitičkog metabolona još nije potvrđen in vivo, pokazano je da se glikolitički enzimi vežu za stanične strukture, uključujući citoskelet i unutarstanične mjehuriće. U upečatljivom slučaju, pokazalo se da su glikolitički enzimi sekvestrirani u organeli, glikozomu, u Kinetoplastei, velikoj skupini bičevanih slobodnih živućih i parazitskih praživotinja (Szöör i sur., 2014.). Takva stanična podjela enzima omogućuje lokalnu i učinkovitu proizvodnju energije na mjestima s najvećom potrebom energije, kao i brzu prilagodbu metabolizma promjenama u okolišu.

Subcelularna kompartmentalizacija glikolize također je istaknuta u neuronima s arborizacijom (grane). Na primjer, utvrđeno je da je glikolitički enzim gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza (GAPDH) usidren na unutarstanične mjehuriće (Zala i sur., 2013.). Nizvodni glikolitički enzim fosfoglicerat kinaza (PGK) također se lokalizira u vezikulama, što je bitno za lokalnu proizvodnju ATP -a i aksonski transport vezikula (Zala i sur., 2013.). Osim toga, otkriveno je da glikolitički enzimi stvaraju klastere u blizini presinaptičkih mjesta kako bi olakšali ciklus sinaptičkih vezikula nakon energetskog stresa (Jang i sur., 2016.).

Daljnji primjeri subcelularne kompartmentalizacije glikolize pronađeni su tijekom nicanja krvnih žila, pri čemu su glikolitički enzimi i aktivnost obogaćeni u lamelipodijama na prednjem rubu migrirajućih stanica vrha endotela. Podstanična lokalizacija ovih enzima u lamelipodiji stvara „žarišta ATP -a“ za koja se predlaže da zadovolje visoke energetske potrebe povezane s remodeliranjem aktina i pokretljivošću stanica (De Bock i sur., 2013.). Dinamičko remodeliranje citoskeleta aktina također je popraćeno mobilizacijom aktivne aldolaze A iz F-aktina, čime se povezuje ubrzanje glikolize s remodeliranjem aktina (Hu i sur., 2016.).

Vremenska regulacija metabolizma na svim mjestima

Metabolizam stanične energije može se podijeliti ne samo u prostoru već i u vremenu, na različitim vremenskim skalama. Dobro poznati primjer uključuje koordinaciju energetskog metabolizma sa staničnim ciklusom kako bi se zadovoljili specifični bioenergetski zahtjevi svake faze staničnog ciklusa (Salazar-Roa i Malumbres, 2017). U ulici G1/S prijelaz staničnog ciklusa, aktivira se glikoliza i mitohondriji pokazuju hiperfuzijsku morfologiju, s većim izlaskom ATP -a nego u bilo kojoj drugoj fazi staničnog ciklusa (Almeida i sur., 2010. Bao i sur., 2013. Mitra i sur., 2009. Tudzarova i sur. ., 2011.). Utvrđeno je da je mitohondrijsko disanje također pojačano na G2/M prijelaz (Wang i sur., 2014.). Ove promjene u metabolizmu energije tijekom staničnog ciklusa posreduju strojevi staničnog ciklusa [npr. ciklin-ovisne kinaze (CDK) i E3 ubikvitinske ligaze]. Važno je, međutim, da je veza između staničnog ciklusa i energetskog metabolizma dvosmjerna, pri čemu metaboličko stanje funkcionira kao kontrolna točka staničnog ciklusa (Jones i sur., 2005. Salazar-Roa i Malumbres, 2017.).

Periodični metabolički ritmovi također su povezani s cirkadijalnom aktivnošću sata, u svim kraljevstvima života (Eckel-Mahan i sur., 2012. Qian i Scheer, 2016.). Osim toga, u hibernatorima se opažaju cirkanualni ritmovi u metabolizmu (Dark, 2005). Ti profili ritmičkih aktivnosti metabolizma omogućuju koordinaciju fiziologije s vanjskim ciklusima okoliša.

Konačno, stanice također pokazuju ultradijanske (tj. Kraće od 24 sata) ritmove i dinamiku u metaboličkoj aktivnosti, poput glikolitičkih oscilacija, koje su prvi put identificirane u kvascu koji se razmnožava prije desetljeća (Ghosh i Chance, 1964. Richard, 2003.). U novije vrijeme otkriveno je da tijekom kontinuirane kulture u uvjetima s ograničenim sadržajem glukoze, pupoljak kvasac pokazuje robusne cikluse (s razdobljem od ∼4 h) potrošnje kisika, označene metaboličkim ciklusom kvasca (YMC) (Cai i sur., 2011. Tu i sur., 2005., 2007.). Zanimljivo je da su iteracije oksidativne i redukcijske faze usko koordinirane s ekspresijom gena i staničnom proliferacijom/podjelom (Cai i sur., 2011. Papagiannakis i sur., 2017.). YMC pruža upečatljiv primjer potencijalne koristi privremene podjele metaboličkih procesa kako bi se omogućila optimalna koordinacija sa staničnim programima (Tu i sur., 2005). Pokazalo se da ograničavanje replikacije DNK na redukcijsku fazu smanjuje rizik od oksidativnog oštećenja DNA (Chen i sur., 2007.). Ultradijanski ritmovi metabolizma također su pronađeni u višim eukariotskim stanicama i u višestaničnim kontekstima. Na primjer, glikolitičke oscilacije nađene su u β -stanicama gušterače, a istražuje se veza između ovih oscilacija i pulsirajućeg lučenja inzulina (Merrins i sur., 2013.).

Izravna posljedica prostorno -vremenske podjele metaboličke aktivnosti je i to što se razine metabolita dinamički mijenjaju tijekom vremena i prostora. S druge strane, stanične razine odabranih intermedijarnih metabolita, poput acetil koenzima A (acetil-CoA), mogu imati izravan utjecaj na epigenetske modifikacije, uspostavljajući intrigantnu vezu između metaboličkog stanja i, na primjer, ekspresije gena i signalizacije stanica (vidi dolje) ). Budući da se tehnologije poput senzora metabolita (Paige i sur., 2012. San Martín i sur., 2014.) i metoda snimanja spektrometrije mase (Passarelli i sur., 2017.) ubrzano poboljšavaju, očekujemo da će se više primjera prostorno -vremenske razdiobe metabolizam će biti otkriven u narednim godinama. Jasno je da će glavni zadatak biti mehanički povezati takav prostorno -vremenski reguliran metabolizam s različitim staničnim programima i, prema tome, s razvojnim i/ili fiziološkim ishodima.


Nepovratni koraci glukoneogeneze

Kao što je ranije rečeno, glukoneogeneza je u biti obrnuta glikoliza. A od deset reakcija koje sačinjavaju glukoneogenezu, sedam se dijeli s glikolizom te reakcije imaju ΔG blizu nule, stoga su lako reverzibilne. Međutim, u unutarstaničnim uvjetima, ukupni ΔG glikolize iznosi oko -63 kJ/mol (-15 kcal/mol), a glukoneogeneze oko -16 kJ/mol (-3,83 kcal/mol), naime, oba puta su nepovratan.
Nepovratnost glikolitičkog puta posljedica je tri jako eksergonske reakcije koje se ne mogu koristiti u glukoneogenezi, a navedene su u nastavku.

  • Fosforilacija glukoze u glukozu 6-fosfat, katalizirana heksokinazom (EC 2.7.1.1) ili glukokinazom (EC 2.7.1.2).
    ΔG = -33,4 kJ/mol (-8 kcal/mol)
    ΔG ° ’ = -16,7 kJ/mol (-4 kcal/mol)
  • Fosforilacija fruktoza 6-fosfata u fruktoza 1,6-bisfosfat, katalizirana fosfofruktokinazom-1 ili PFK-1 (EZ 2.7.1.11)
    ΔG = -22,2 kJ/mol (-5,3 kcal/mol)
    ΔG ° ’ = -14,2 kJ/mol (-3,4 kcal/mol)
  • Pretvorba fosfoenolpiruvata ili PEP -a u piruvat, katalizirana piruvat kinazom (EC 2.7.1.40)
    ΔG = -16,7 kJ/mol (-4,0 kcal/mol)
    ΔG ° ’ = -31,4 kJ/mol (-7,5 kcal/mol)

U glukoneogenezi ova tri koraka zaobilaze enzimi koji kataliziraju nepovratni koraci u smjeru sinteze glukoze: to osigurava nepovratnost metaboličkog puta.
U nastavku se analiziraju takve reakcije.

Od piruvata do fosfoenolpiruvata

Prvi korak glukoneogeneze koji zaobilazi nepovratni korak glikolize, naime reakciju koju katalizira piruvat kinaza, je pretvaranje piruvata u fosfoenolpiruvat.
Fosfoenolpiruvat se sintetizira kroz dvije reakcije koje redom kataliziraju enzimi:

  • piruvat karboksilaza (EC 6.4.1.1)
  • fosfoenolpiruvat karboksikinazu ili PEP karboksikinazu (EC 4.1.1.32).

Piruvat → Oksaloacetat → Fosfoenolpiruvat

Piruvat karboksilaza katalizira karboksilaciju piruvata u oksaloacetat, uz potrošnju jednog ATP -a. Enzim zahtijeva prisutnost iona magnezija ili mangana

Piruvat + HCO3 – + ATP → Oksaloacetat + ADP + Pi

Enzim, koji je 1960. otkrio Merton Utter, mitohondrijski je protein sastavljen od četiri identične podjedinice, svaka s katalitičkom aktivnošću. Podjedinice sadrže biotinsku protetsku skupinu, kovalentno povezanu amidnom vezom s ε-amino skupinom lizinskog ostatka, koja djeluje kao nosač aktiviranog CO2 tijekom reakcije. Alosterično mjesto vezanja za acetil-CoA također je prisutno u svakoj podjedinici.
Treba napomenuti da reakcija koju katalizira piruvat karboksilaza, što dovodi do proizvodnje oksaloacetata, također daje međuprodukte za ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus.
Fosfoenolpiruvat karboksikinaza je prisutan, približno u istoj količini, u mitohondrijima i citosolu hepatocita. Izoenzimi su kodirani zasebnim nuklearnim genima.
Enzim katalizira dekarboksilaciju i fosforilaciju oksaloacetata u fosfoenolpiruvat, u reakciji u kojoj GTP djeluje kao donator visokoenergetskog fosfata. PEP karboksikinaza zahtijeva prisutnost iona magnezija i mangana. Reakcija je reverzibilna u normalnim staničnim uvjetima.

Oksaloacetat + GTP ⇄ PEP + CO2 + BDP

Tijekom ove reakcije, CO2 molekule, uklanja se ista molekula koja se dodaje u piruvat u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza. Karboksilacijska-dekarboksilacijska sekvenca koristi se za aktiviranje piruvata, budući da dekarboksilacija oksaloacetata olakšava, čini termodinamički izvedivim, stvaranje fosfoenolpiruvata.
Općenito, karboksilacijska-dekarboksilacijska sekvenca potiče reakcije koje bi inače bile jako endergonske, a također se javljaju u ciklusu limunske kiseline, na putu pentoznog fosfata, koji se naziva i heksozni monofosfatni put, te u sintezi masnih kiselina.
Razine PEP karboksikinaze prije rođenja su vrlo niske, dok se njezina aktivnost povećava nekoliko puta nekoliko sati nakon poroda. To je razlog zašto se glukoneogeneza aktivira nakon rođenja.
Zbroj reakcija koje kataliziraju piruvat karboksilaza i fosfoenolpiruvat karboksikinaza je:

Piruvat + ATP + GTP + HCO3 – → PEP + ADP + BDP + Pi + CO2

ΔG ° ’ reakcije jednak je 0,9 kJ/mol (0,2 kcal/mol), dok je standardna promjena slobodne energije povezana s stvaranjem piruvata iz fosfoenolpiruvata preokretom reakcije piruvat kinaze + 31,4 kJ/mol (7,5 kcal/mol).
Iako je ΔG ° ’ u dva koraka koji vode do stvaranja PEP -a iz piruvata blago pozitivan, stvarna promjena slobodne energije (ΔG), izračunata iz unutarstaničnih koncentracija međuproizvoda, vrlo je negativna, -25 kJ/mol (-6 kcal/mol). To je posljedica brze potrošnje fosfoenolpiruvata u drugim reakcijama, koja održava njegovu koncentraciju na vrlo niskim razinama. Stoga je u staničnim uvjetima sinteza PEP -a iz piruvata nepovratan.
Značajno je da metabolički put stvaranja fosfoenolpiruvata iz piruvata ovisi o prekursoru: piruvatu ili alaninu ili laktatu.

Prekursori fosfoenolpiruvata: piruvat ili alanin

Dolje opisane zaobilazne reakcije prevladavaju kada alanin ili piruvat je glukogeni prekursor.
Piruvat karboksilaza je mitohondrijski enzim, pa se piruvat mora transportirati iz citosola u mitohondrijski matriks. To je posredovan prijenosnika koji se nalaze na unutarnjoj mitohondrijskoj membrani, koji se naziva i MPC1 MPC2. Ovi proteini, udružujući se, tvore hetero-oligomer koji olakšava transport piruvata.
Piruvat se također može proizvesti iz alanina u mitohondrijskom matriksu transaminacijom, u reakciji koju katalizira alanin aminotransferaza (EC 2.6.1.2).

Pretvaranje piruvata i alanina u fosfoenolpiruvat

Budući da su enzimi uključeni u kasnije korake glukoneogeneze, osim glukoza-6-fosfataze, citosolni, oksaloacetat proizveden u mitohondrijskom matriksu transportira se u citosol. Međutim, u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani nema transportera oksaloacetata. Prijenos u citosol događa se kao posljedica njegove redukcije u malat, koji, naprotiv, može prijeći unutarnju mitohondrijsku membranu. Reakciju katalizira mitohondrijska malatna dehidrogenaza (EC 1.1.1.37), enzim koji je također uključen u ciklus limunske kiseline, pri čemu se reakcija odvija u obrnutom smjeru. U reakciji NADH se oksidira u NAD +.

Oksaloacetat + NADH + H + ⇄ Malat + NAD +

Iako je ΔG ° ’ reakcije vrlo pozitivan, u fiziološkim uvjetima, ΔG je blizu nule, pa je reakcija lako reverzibilna.
Malat prelazi unutarnju mitohondrijsku membranu kroz komponentu shutter-malat-aspartata, transporter malat-α-ketoglutarat. Jednom u citosolu, malat se ponovno oksidira u oksaloacetat u reakciji koju katalizira citosolna malat dehidrogenaza. U ovoj reakciji NAD + se reducira u NADH.

Malat + NAD + → Oksaloacetat + NADH + H +

Napomena: Malat-aspartatni shuttle je najaktivniji shuttle za transport ekvivalenata reduciranja NADH iz citosola u mitohondrije. Nalazi se u mitohondrijima jetre, bubrega i srca.
Reakcija omogućuje transport mitohondrijskih redukcijskih ekvivalenata u citosol u obliku NADH. Ovaj prijenos je potrebne za nastavak glukoneogeneze, kao i u citosolnoj NADH, oksidirana u reakciji kataliziranoj gliceraldehidom 3 -fosfat dehidrogenazom (EC 1.2.1.12), prisutna je u vrlo niskim koncentracijama, s omjerom [NADH]/[NAD +] jednakim 8 吆 - 4, oko 100.000 puta niže od onog uočenog u mitohondrijima.
Konačno, oksaloacetat se u reakciji koju katalizira PEP karboksikinaza pretvara u fosfoenolpiruvat.

Preteča fosfoenolpiruvata: laktat

Laktat jedan je od glavnih glukoneogenih prekursora. Proizvode ga, na primjer:

  • crvena krvna zrnca, koja u potpunosti ovise o anaerobnoj glikolizi za proizvodnju ATP -a
  • skeletnih mišića tijekom intenzivnog vježbanja, odnosno u uvjetima niskog kisika, kada brzina glikolize premašuje brzinu ciklusa limunske kiseline i oksidativnu fosforilaciju.

Kada laktat je glukoneogenih prethodnik, sinteza PEP događa na drugačiji put nego što je ranije vidio. U citosolu hepatocita NAD + je visoka, a laktat se oksidira u piruvat u reakciji koju katalizira jetreni izoenzim laktat dehidrogenaze (EC 1.1.1.27). U reakciji se NAD + reducira u NADH.

Laktat + NAD + → Piruvat + NADH + H +

Proizvodnja citosolnog NADH čini nepotrebnim izvoz redukcijskih ekvivalenata iz mitohondrija.
Piruvat ulazi u mitohondrijski matriks kako bi se pretvorio u oksaloacetat u reakciji koju katalizira piruvat karboksilaza. U mitohondrijima, oksalacetat se prevodi u fosfoenolpiruvata u reakciji koja je katalizirana mitohondrijska piruvat karboksilaza. Fosfoenolpiruvat izlazi iz mitohondrija putem anionskog transportera koji se nalazi u unutarnjoj mitohondrijskoj membrani, a nakon što je u citosolu, nastavlja putem glukoneogeneze.
Napomena: Sinteza glukoze iz laktata može se smatrati dijelom Cori ciklusa koji se odvija u jetri.

Od fruktoze 1,6-bisfosfata do fruktoze 6-fosfata

Drugi korak glukoneogeneze koji zaobilazi nepovratni korak glikolitičkog puta, naime reakciju koju katalizira PFK-1, je defosforilacija fruktoze 1,6-bisfosfata u fruktoza 6-fosfat.
Ova reakcija, koju katalizira fruktoza 1,6-bisfosfataza ili FBPasi-1 (EC 3.1.3.11), enzim ovisan o Mg2 + koji se nalazi u citosolu, dovodi do hidrolize C-1 fosfata fruktoze 1,6-bisfosfata, bez proizvodnje ATP-a.

Fruktoza 1,6-bisfosfat + H2O → Fruktoza 6-fosfat + Pi

ΔG ° ’ reakcije je -16,3 kJ/mol (-3,9 kcal/mol), dakle nepovratna reakcija.

Od glukoze 6-fosfata do glukoze

Treći korak glukoneogeneze koji zaobilazi nepovratni korak glikolitičkog puta, naime reakciju kataliziranu heksokinazom ili glukokinazom, je defosforilacija glukoze 6-fosfata u glukozu.
Ova reakcija je katalizirana katalitičkom podjedinicom glukoza 6-fosfataza, proteinski kompleks koji se nalazi u membrani endoplazmatskog retikuluma hepatocita, enterocita i stanica proksimalnih tubula bubrega. Kompleks glukoze 6-fosfataze sastoji se od katalitičke podjedinice glukoze 6-fosfataze i transportera glukoze 6-fosfata koji se naziva glukoza 6-fosfatna translokada ili T1.
Katalitička podjedinica glukoze 6-fosfataze ima aktivno mjesto na luminalnoj strani organele. To znači da enzim katalizira oslobađanje glukoze ne u citosolu već u lumenu endoplazmatskog retikuluma.
Glukoza 6-fosfat, oba nastala kao posljedica glukoneogeneze, nastala u reakciji kataliziranoj glukoza 6-fosfat izomerazom ili fosfoglukozom izomerazom (EC 5.3.1.9), i glikogenolizom, nastalom u reakciji koju katalizira fosfoglukomutaza (EC 5.4.2.2), nalaze se u citosolu, a moraju ući lumen endoplazmin retikulum se defosforiliran. Njegov transport posreduje translokaza glukoza-6-fosfat.

Katalitička podjedinica glukoze 6 -fosfataze, enzim ovisan o Mg2+, katalizira posljednji korak i glukoneogeneze i glikogenolize. I, poput reakcije koju katalizira fruktoza 1,6-bisfosfataza, ova reakcija dovodi do hidrolize fosfatnog estera.

Glukoza 6-fosfat + H2O → Glukoza + Pi

Također treba naglasiti da je, zbog orijentacija aktivnog mjesta, stanica odvaja ovu enzimsku aktivnost od citosola, čime se izbjegava da se glikoliza, koja se dogodi u citosolu, prekine djelovanjem enzima na glukozu 6-fosfat.
ΔG ° ’ reakcije je -13,8 kJ/mol (-3,3 kcal/mol), stoga je to nepovratna reakcija. Ako bi umjesto toga reakciju katalizirala heksokinaza/glukokinaza obrnuto, bio bi potreban prijenos fosfatne skupine iz glukoze 6-fosfata u ADP. Takva bi reakcija imala ΔG jednak +33,4 kJ/mol (+8 kcal/mol), a zatim jako endergonska. Slična razmatranja mogu se uzeti i za reakciju koju katalizira FBPaza-1.
Glukoza i Pi Čini se da se skupina transportira u citosol različitim transporterima, koji se nazivaju T2 i T3, posljednji anionski transporter.
Konačno, glukoza napušta hepatocit putem membranskog transportera GLUT2, ulazi u krvotok i transportira se do tkiva koja to zahtijevaju. Obrnuto, u fiziološkim uvjetima, kao što je ranije rečeno, glukozu koju proizvodi bubreg uglavnom koristi medulla samog bubrega.

Glukoneogeneza: energetski skupo

Poput glikolize, veliki dio potrošene energije koristi se u nepovratni koraci procesa.
Potroši se šest visokoenergetskih fosfatnih veza: dvije iz GTP-a i četiri iz ATP-a. Nadalje, dvije molekule NADH potrebne su za redukciju dviju molekula 1,3-bisfosfoglicerata u reakciji koju katalizira gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza. Oksidacija NADH uzrokuje nedostatak proizvodnje 5 molekula ATP -a koji se sintetiziraju kada se elektroni reduciranog koenzima koriste u oksidativnoj fosforilaciji.
Također ova energetska razmatranja pokazuju da glukoneogeneza nije samo obrnuta glikoliza, u tom slučaju bi bila potrebna potrošnja dvije molekule ATP -a, što pokazuje ukupna glikolitička jednadžba.

Glukoza + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD + → 2 piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H2O.

Ispod je ukupna jednadžba za glukoneogenezu:

2 piruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + + 2 H + + 4 H2O → Glukoza + 4 ADP + 2 BDP + 6 Pi + 2 NAD +

Barem u jetri, ATP potreban za glukoneogenezu uglavnom proizlazi iz oksidacije masnih kiselina ili ugljikovih kostura aminokiselina, ovisno o dostupnom gorivu “ gorivu ”.


UVOD

Jetra ima važnu ulogu u kontroli homeostaze glukoze u tijelu. [1] Povezanost između kronične bolesti jetre (CLD) i dijabetesa melitusa (DM) poznata je odavno. Takva povezanost može biti posljedica zajedničkog mehanizma koji dovodi do obje bolesti poput bezalkoholne bolesti masne jetre (NAFLD), hemokromatoze, autoimunih bolesti jetre i kroničnog hepatitisa C. [2,3] 10-godišnje praćenje kohorte Veteran Affairs otkrio je dvostruko veći rizik od CLD-a u ispitanika s tipom 2 DM (T2DM) u usporedbi s onima bez T2DM-a, nakon prilagodbe zbunjujućih varijabli. [4] Međutim, češće, CLD po sebi može dovesti do dijabetesa poznatog kao hepatogeni dijabetes (HD). [5] Izraz HD prvi je upotrijebio Megyesi et al. [6] 60 -ih godina. Ovaj izraz nije privukao pažnju jer je entitet tada bio slabo shvaćen. Iako sada postoji dovoljno podataka koji podržavaju HD kao zasebnu cjelinu, to je još uvijek zanemareno stanje i iznenađujuće ga čak ni američka udruga za dijabetes ne prepoznaje. HD se javlja nakon pojave bolesti jetre u osoba bez čimbenika rizika za T2DM, poput visokog indeksa tjelesne mase, hiperlipidemije i prethodne ili obiteljske anamneze DM.


Patofiziologija

Heterogenost se javlja kod većine poremećaja netolerancije na glukozu, uključujući sindrome dijabetes melitusa.

Dijabetes melitus tip 1

Dijabetes melitus tip 1 karakterizira apsolutni nedostatak inzulina. U tipu 1A dolazi do stanično posredovanog autoimunog uništavanja beta stanica gušterače. Proces bolesti pokreće čimbenik okoliša - to jest zarazni ili nezarazni uzročnik u genetski osjetljivih pojedinaca.

Neki geni u histokompatibilnu leukocita antigen (HLA) sustava su mislili da će presudna. Ponekad se javlja oslobađanje adrenalina izazvano stresom, koje inhibira oslobađanje inzulina (s rezultirajućom hiperglikemijom), koje može biti praćeno prolaznim asimptomatskim razdobljem poznatim kao "medeni mjesec". Medeni mjesec koji traje tjednima ili mjesecima prethodi pojavi otvorenog, trajnog dijabetesa.

Amylin, beta-stanični hormon koji se normalno izlučuje s inzulinom kao odgovor na obroke, također je potpuno manjkav u osoba s dijabetesom mellitusom tipa 1. Amylin pokazuje nekoliko glukoregulacijskih učinaka koji nadopunjuju učinke inzulina u postprandijalnoj regulaciji glukoze. Također se javljaju idiopatski oblici dijabetesa tipa 1, bez dokaza o autoimunosti ili povezanosti HLA ovaj podskup se naziva dijabetes tipa 1B.

Patofiziološku beta stanica smrti ili disfunkcijom trenutno još razumjeti Kod dijabetesa tipa 1 u odnosu na tip 2 dijabetes. Brzina progresije dijabetesa tipa 1 ovisi o dobi pri prvom otkrivanju antitijela, broju antitijela, specifičnosti antitijela i titru antitijela. [1, 8] Prepoznata su tri različita stupnja dijabetesa tipa 1. [1, 8] Obje faze 1 i 2 karakteriziraju autoimunitet i presimptomatski status, iako još uvijek postoji normoglikemija u stadiju 1, u drugom stadiju prisutna je disglikemija (oslabljena glukoza natašte [IFG] i/ili oslabljena tolerancija glukoze [IGT]) 3. Fazu karakterizira novonastala simptomatska hiperglikemija. [1, 8]

Dijabetes melitus tip 2

U stanju zdravlja, normoglikemija održava fino hormonska regulacija perifernog unosa glukoze i jetre proizvodnje. Dijabetes melitus tip 2 posljedica je nedostatka lučenja inzulina i smanjenja djelovanja inzulina u jetrenom i perifernom tkivu, osobito mišićnom tkivu i adipocitima. [9] postreceptor mana je prisutan, uzrokujući otpornost na stimulacijski učinak inzulina na upotrebu glukoze. Kao rezultat toga, razvija se relativni nedostatak inzulina, za razliku od apsolutnog nedostatka koji se nalazi u bolesnika s dijabetesom tipa 1. Specifični etiološki čimbenici nisu poznati, ali genetski unos znatno je jači u dijabetesa tipa 2 nego u obliku tipa 1. [10]

Poremećena tolerancija glukoze (IGT) je prijelazno stanje od normoglikemije do otvorenog dijabetesa, ali pacijenti s oslabljenom tolerancijom glukoze pokazuju značajnu heterogenost. Dijabetes tipa 2 ili intolerancija na glukozu dio je dismetaboličkog sindroma (sindrom X) koji uključuje rezistenciju na inzulin, hiperinsulinemiju, pretilost, hipertenziju i dislipidemiju. Trenutna saznanja sugeriraju da je razvoj intolerancije na glukozu ili dijabetes iniciran inzulinskom rezistencijom, a pogoršan kompenzacijskom hiperinsulinemijom. Inzulinska rezistencija nije samo prediktivna za dijabetes tipa 2 i povezana je s bezbroj metaboličkih poremećaja u uvjetima gladovanja, već su osobe bez dijabetesa rezistentne na inzulin izložene sličnom nepovoljnom metaboličkom okruženju nakon obroka i kardiometaboličkom riziku kao i one s dijabetesom tipa 2. [11] Osim toga, prevalencija hipertenzije raste s pogoršanjem stupnjeva poremećenog metabolizma glukoze, međutim samo u ranim fazama poremećenog metabolizma inzulina čini se da hiperglikemija i hiperinsulinemija značajno doprinose prisutnosti hipertenzije. [12]

Putevi do disfunkcije ili smrti beta-stanica manje su dobro definirani kod dijabetesa tipa 1. Na progresiju dijabetesa tipa 2 utječu genetika i okolišni ili stečeni čimbenici, poput sjedilačkog načina života i prehrambenih navika koje promiču pretilost. Većina pacijenata s dijabetesom tipa 2 ima pretilost, a pretilost je povezana s rezistencijom na inzulin. Inzulinska rezistencija nije samo prediktivna za dijabetes tipa 2 i povezana je s bezbroj metaboličkih poremećaja u uvjetima gladovanja, već su osobe bez dijabetesa rezistentne na inzulin izložene sličnom nepovoljnom metaboličkom okruženju nakon obroka i kardiometaboličkom riziku kao i one s dijabetesom tipa 2. [11] Središnja masnoća važnija je od povećane generalizirane raspodjele masti. U bolesnika s otvorenim dijabetesom, toksičnost glukoze i lipotoksičnost mogu dodatno oslabiti lučenje inzulina u beta stanicama. [13] [14] [15] [16] Štoviše, „kod pretilosti se upala, s povećanim nakupljanjem i upalnom polarizacijom imunoloških stanica, odvija u različitim tkivima, uključujući masno tkivo, skeletne mišiće, jetru, crijeva, otočić gušterače, i mozga te mogu pridonijeti metaboličkim disfunkcijama povezanima s pretilošću, što dovodi do rezistencije na inzulin i dijabetesa tipa 2. " [17]

Gestacijski dijabetes melitus

Gestacijski dijabetes melitus (GDM) ranije je opisivan kao bilo koji stupanj netolerancije na glukozu u kojem se početak ili prvo prepoznavanje javlja tijekom trudnoće. [5] Definicija je bila ograničena nepreciznošću. Žene s dijabetesom u prvom tromjesečju sada su klasificirane kao osobe s dijabetesom tipa. GDM je dijabetes dijagnosticiran u drugom ili trećem tromjesečju trudnoće koji nije jasno otvoren dijabetes. Potrebe za inzulinom povećavaju se tijekom trudnoće zbog prisutnosti antagonista inzulina, poput humanog placentnog laktogena ili korionskog somatomamotropina, a kortizol potiče lipolizu i smanjuje uporabu glukoze.

Drugi čimbenik povećanih potreba za inzulinom tijekom trudnoće je proizvodnja inzulinaze posteljicom. Razni genetski defekti beta stanica, djelovanje inzulina, bolesti egzokrinog gušterače, endokrinopatije, lijekovi, kemijski agensi, infekcije, imunološki poremećaji i genetski sindromi mogu uzrokovati različite stupnjeve netolerancije na glukozu, uključujući dijabetes.

Da biste vidjeli potpune informacije o šećernoj bolesti i trudnoći, posjetite glavni članak klikom ovdje.

Druge specifične vrste dijabetes melitusa

To su specifični tipovi dijabetesa zbog drugih uzroka, koji uključuju sindrome monogenog dijabetesa, bolesti egzokrinog gušterače i dijabetes izazvan lijekovima ili kemikalijama. Razni genetski defekti beta stanica, djelovanje inzulina, bolesti egzokrinog gušterače, endokrinopatije, lijekovi, kemijski agensi, infekcije, imunološki poremećaji i genetski sindromi mogu uzrokovati različite stupnjeve netolerancije na glukozu, uključujući dijabetes.

Različiti oblici intolerancije na glukozu

Nepodnošljivost glukoze može biti prisutna u mnogih pacijenata s cirozom zbog smanjenog unosa glukoze u jetri i sinteze glikogena. Drugi temeljni mehanizmi uključuju jetrenu i perifernu rezistenciju na inzulin i hormonske abnormalnosti u serumu. Nenormalna homeostaza glukoze također se može pojaviti u uremiji, kao posljedica povećanog perifernog otpora na djelovanje inzulina.

Gastrointestinalni trakt igra značajnu ulogu u toleranciji glukoze.[18] Uz unos hrane, inkretinski hormoni glukagon sličan peptid-1 (GLP-1) i inzulinotropni polipeptid (GIP) ovisni o glukozi sintetiziraju se i izlučuju specijalizirane stanice crijeva. Oralna primjena glukoze rezultira većim sekrecijskim odgovorom inzulina nego intravenska primjena glukoze. Ta je razlika djelomično posljedica inkretinskih hormona.

Značaj inkretinskih hormona primijećen je kao rezultat napora da se razviju sredstva koja mogu poboljšati kontrolu glikemije u pacijenata s dijabetesom tipa 2 kroz nove mehanizme. [19] Ove strategije uključuju inhibiciju dipeptidil peptidaze IV (DPP-4), glavnog enzima odgovornog za razgradnju inkretinskih hormona in vivo, te upotrebu agonista GLP-1. [20] Inkretinski hormoni također značajno utječu na diferencijaciju, mitogenezu i preživljavanje beta stanica.

Patološki nedostaci uočeni kod dijabetes melitusa tipa 2, a ponekad i kod oslabljene tolerancije na glukozu uključuju postprandijalnu hiperglukagonemiju, disregulaciju pražnjenja želuca i gubitak inkretinskog učinka.

Postprandijalna hiperglikemija u šećernoj bolesti i oslabljena tolerancija glukoze (IGT) povezana je s nižom stopom odlaganja glukoze, dok su lučenje i djelovanje inzulina, kao i postprandijalni promet, u osnovi normalni kod osoba s izoliranim IGT -om. [21]


Metformin snižava glukozu 6-fosfat u hepatocitima aktiviranjem glikolize nizvodno od fosforilacije glukoze

Kronični učinci metformina na glukoneogenezu jetre uključuju potiskivanje G6kom gen, koji je reguliran proteinom koji veže element koji odgovara ugljikohidratima putem povišenih staničnih međuprodukata metabolizma glukoze. U ovoj studiji utvrdili smo mehanizme kandidata pomoću kojih metformin snižava glukozu 6-fosfat (G6P) u hepatocitima miša i štakora izazvanim visokim sadržajem glukoze ili glukoneogenim prekursorima. Opterećenja staničnim metforminom u terapijskom rasponu snizila su staničnu G6P, ali ne i ATP, te su se smanjila G6kom mRNA pri visokoj glukozi. Snižavanje G6P metforminom oponašali su inhibitor kompleksa 1 (rotenon) i odvajač (dinitrofenol) te prekomjerna ekspresija mGPDH, koji snižava glicerol 3-fosfat i G6P, a također oponaša G6kom potiskivanje metforminom. Nasuprot tome, izravni alosterički aktivatori AMPK (A-769662, 991 i C-13) imali su suprotne učinke od metformina na glikolizu, glukoneogenezu i stanični G6P. Snižavanje G6P metforminom, koje se također događa u hepatocitima iz miševa nokautiranih AMPK, najbolje je objašnjeno alosteričkom regulacijom fosfofruktokinaze-1 i/ili fruktoze bisfosfataze-1, što je podržano povećanjem metabolizma [3- 3 H] glukoze u odnosu na [ 2- 3 H] glukoze povećanjem omjera izotopologa laktata m2/m1 od [1,2-13 C2] glukoze snižavanjem glicerol 3-fosfata, alosteričkog inhibitora fosfofruktokinaze-1 i značajnim povišenjem G6P selektivnom inhibicijom fosfofruktokinaze-1, ali ne i smanjenim citoplazmatskim redoks-stanjem NADH/NAD. Zaključujemo da su terapijski relevantne doze metformina nižeg G6P u hepatocitima izazvane visokom glukozom stimulacijom glikolize mehanizmom neovisnim o AMK-aktiviranoj kinazi, promjenama u alosteričnim efektorima fosfofruktokinaze-1 i fruktoze bisfosfataze-1, uključujući AMP, Pi, i glicerol 3-fosfat.

Ključne riječi: glukoza 6-fosfat glikoliza hepatocit jetra metformin fosfofruktokinaza.

Izjava o sukobu interesa

Autori izjavljuju da nemaju sukob interesa sa sadržajem ovog članka


Preuzmite i ispišite ovaj članak za svoju osobnu znanstvenu, istraživačku i obrazovnu uporabu.

Kupite jedno izdanje Znanost za samo 15 USD.

Znanost Translacijska medicina

Svezak 12, izdanje 559
02. rujna 2020

Alati za članak

Prijavite se kako biste dodali upozorenje za ovaj članak.

Autor: Magdalene K. Montgomery, Jacqueline Bayliss, Camille Devereux, Ayenachew Bezawork-Geleta, David Roberts, Cheng Huang, Ralf B. Schittenhelm, Andrew Ryan, Scott L. Townley, Luke A. Selth, Trevor J. Biden, Gregory R. Steinberg , Dorit Samocha-Bonet, Ruth CR Meex, Matthew J. Watt

Znanost Translacijska medicina 02. rujna 2020

SMOC1 je protein koji reagira na jetru, a koji poboljšava glikemiju putem CREB-posredovane supresije izlučivanja glukoze u jetri.


DOPRINOSI AUTORA

Y. Wang i Q. Ge osmislili su istraživanje, analizirali podatke i napisali rukopis Y. Wang, W. Zhao, J. Shi i J. Wang proveli su istraživanje J. Hao, X. Pang, X. Huang, X Chen, Y. Li i R. Jin dali su reagense i tehničku podršku, a svi su autori pregledali rukopis.

Naziv datoteke Opis
fsb2fj201900238rr-sup-0001.docxapplication/docx, 20,5 KB Dopunski materijal
fsb2fj201900238rr-sup-0002.tifapplication/tif, 51,6 MB Dopunski materijal
fsb2fj201900238rr-sup-0003.tifapplication/tif, 74.3 MB Dopunski materijal
fsb2fj201900238rr-sup-0004.tifapplication/tif, 80,5 MB Dopunski materijal

Napomena: Izdavač nije odgovoran za sadržaj ili funkcionalnost bilo kojih popratnih informacija koje su dostavili autori. Sve upite (osim sadržaja koji nedostaje) treba uputiti odgovarajućem autoru članka.


Gledaj video: यकत चचण परकरय (Kolovoz 2022).