background image

 

GLUCONEOGENESIS 

It  is  the  process  by  which  glucose  molecules  are  produced  from  non-
carbohydrate  precursors,  which  include  lactate,  glucogenic  amino  acids, 
glycerol  part  of  fat  and  propionyl  CoA  derived  from  odd  chain  fatty 
acids.  
Gluconeogenesis occurs mainly in the liver, and to a lesser extent in the 
kidney. The pathway is partly mitochondrial and partly cytoplasmic.  

 

 

Gluconeogenesis  involves  several  enzymes  of  glycolysis,  but  it  is  not  a 
reversal  of  glycolysis.  The  irreversible  steps  in  glycolysis  are 
circumvented by four enzymes which are designated as the key enzymes 
of gluconeogenesis, these enzymes are: 

1

2

3

4


background image

 

1. Pyruvate Carboxylase  
Pyruvate  in  the  cytoplasm  enters  the  mitochondria.  Then,  carboxylation 
of  pyruvate  to  oxaloacetate  is  catalysed  by  a  mitochondrial  enzyme, 
Pyruvate carboxylase. It needs the co-enzymes biotin and ATP. 
 
2. Phosphoenol Pyruvate Carboxy Kinase (
PEPCK
In the cytoplasm, PEPCK enzyme converts oxaloacetate to phosphoenol 
pyruvate  by  removing  a  molecule  of  CO2.  GTP  donates  the  phosphate. 
The  net  effect  of  these  two  reactions  is  the  conversion  of  pyruvate  to 
phosphoenol  pyruvate.  This  circumvents  the  irreversible  step  9  of 
glycolysis. 
 
Partial Reversal of Glycolysis 
The  phosphoenol  pyruvate  undergoes  further  reactions  catalyzed  by  the 
glycolytic  enzymes  to  form  fructose-1,6-bisphosphate  (see  glycolysis 
steps 8,7,6,5 and 4; all these reactions are freely reversible). 
 
3. Fructose-1, 6-bisphosphatase 
Fructose-1,  6-bisphosphate  is  then  converted  by  fructose  1,6-
bisphosphatase  to  form  fructose  -6-phosphate.  This  will  bypass the  step 
of PFK reaction (see step 3 of glycolysis). Then fructose-6-phosphate is 
isomerized  to  glucose-6-phosphate  by  the  freely  reversible  reaction 
catalyzed by hexose phosphate isomerase (step2 in glycolysis). 
4. Glucose-6-phosphatase Reaction 
The  glucose  6-phosphate  is  hydrolysed  to  free  glucose  by  glucose-6-
phosphatase.  
Glucose-6-phosphatase is active in liver. It is also present in kidney and 
intestinal mucosa to a lesser extent, but it is absent in muscle. 
 

Substrates for Gluconeogenesis 

Lactate and glucogenic amino acids are the most important substrates for 
gluconeogenesis. 

 
1.  Lactate  

The lactate formed in the muscle is transported to the liver through Cori's 
cycle. In the liver cell lactate dehydrogenase converts lactate to pyruvate. 
The pyruvate enters the gluconeogenic pathway to form glucose. 


background image

 

     2.  Glucogenic amino acids 
Glucogenic  amino  acids  are  alanine,  glutamic  acid,  aspartic  acid,  etc. 
When  glucose  is  not  readily  available  (starvation  or  diabetes  mellitus), 
the  glucogenic  amino  acids  are  transaminated  to  corresponding  carbon 
skeletons.  These  then  enter  the  TCA  cycle  and  form  oxaloacetate  or 
pyruvate.  Alanine  released  from  the  muscle  is  the  major  substrate  for 
gluconeogenesis. 
     3. Glycerol 
The glycerol part of fat is phosphorylated in the liver cytosol by ATP to 
glycerol-3-phosphate. It is then oxidized to dihydroxy acetone phosphate 
by  NAD+  dependent  dehydrogenase  and  enter  pathway  to  form  lastly 
glucose. 
     4. Propionyl CoA 
Propionyl  CoA  is  formed  either  from  odd  chain  fatty  acids  and  carbon 
skeleton of some amino acids. It is converted to succinyl CoA which also 
enter  TCAcycleto  form  oxaloacetate  and  terminate  by  formation  of 
glucose. It is a minor source for glucose 

 
Notes about Gluconeogenesis 

1.  Only  liver  can  replenish  blood

  glucose  through  gluconeogenesis, 

because glucose-6- phosphatase is present mainly in liver. So liver plays 
the major role in maintaining the blood glucose level.

 

2. During starvation, Gluconeogenesis maintains normal blood glucose 
level.  The  stored  glycogen  is  depleted  within  the  first  12-18  hours  of 
fasting. On prolonged starvation, the gluconeogenesis is speeded up and 
protein catabolism provides the substrates ( glucogenic amino acids). 
3.  Energy  Requirement,  The  reactions  catalyzed  by  Pyruvate 
carboxylase,  phosphoenol  Pyruvate  carboxy  kinase  and  phospho 
glycerate  kinase  require  one  ATP  each;  so  3  ATPs  are  used  by  one 
pyruvate residue to produce one-half molecule of glucose; or 6 ATPs are 
required to generate one glucose molecule. 

2 pyruvate →2 oxaloacetate = 2 ATP 

 

2 oxaloacetate → 2 phosphoenol pyruvate = 2 ATP 

 

2 ( 3-phosphoglycerate) →2 ( 1,3-bisphospho glycerate) = 2 ATP 

Total = 6 ATP

 


background image

 

Regulation of Gluconeogenesis 

Gluconeogenesis  and  glycolysis  are  reciprocally  regulated  so  that  one 
pathway is relatively inactive when the other is active.  

 

  Pyruvate Carboxylase 

It  is  an  allosteric  enzyme.  Acetyl  CoA  is  an  activator  of  Pyruvate 
carboxylase  so  that  generation  of  oxaloacetate  is  favored  when  acetyl 
CoA level is sufficiently high. 
 

  Fructose-1,6-bisphosphatase 

Citrate  is  an  activator  while  fructose-2,6-bisphosphate  and  AMP  are 
inhibitors. All these three effectors have an exactly opposite effect on the 
phosphofructokinase (PFK) . 
 

  Hormonal Regulation of Gluconeogenesis 

The  hormones  glucagon  and  glucocorticoids  increase  gluconeogenesis. 
Glucocorticoids  induce  the  synthesis  of  hepatic  amino  transferases 
thereby  providing  substrate  for  gluconeogenesis.  The  high  glucagon-
insulin ratio also favors induction of synthesis of gluconeogenic enzymes 
(PEPCK, Fructose-1,6-bisphosphatase and glucose-6-phosphatase).At the 
same  time,  synthesis  of  glycolytic  enzymes  HK,  PFK  and  PK  are 
depressed. Insulin inhibits this process.  

 
Clinical Significance of Gluconeogenesis  
 

Pyruvate carboxylase deficiency:  It  is  seen  as  an  inborn  error  of 
metabolism, where mental retardation is manifested. Its incidence is 1 in 
25,000 births. Lactic acidosis is noticed. 

 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 125 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل