10 Stoffwechsel - Jelezarov

F-2,6-P ist zuständig für das effektive ein/ausschlaten der PFK-1 (die Konzentration von F26P eird hormonell gesteuert)

Zudem hebt F-2,6-BP die inhibierende Wirkung von ATP auf 

wegen seiner aktivierenden Wirkung auf PFK-1 wird die Reaktion F-6-P → F-1,6-BP beschleunigt und der Substratdurchsatz der gesamten Glykolyse gefördert

F-2,6-BP reguliert in der Glykolyse nicht nur den glykolytischen Schritt der Phosphofructokinase (PFK-1), sondern auch die Umgehungsreaktion der Gluconeogenese durch die Fructose-1,6-Bisphosphat-Phosphatase (FBPase-1). Bei Aktivierung der PFK-1 entsteht Fructose-1,6-Bisphosphat, welches wiederum ein allosterischer Aktivator der Pyruvatkinase (PK) ist (Abb.5-18).

Bildung und Abbau von Fructose-2,6-Bisphosphat werden durch dasselbe Enzym, durch die bifunktionelle Phosphofructokinase-2/Fructose-2,6-Bisphosphatase, katalysiert. Die PFK2/FBPase-2 kann entweder als Fructose-6-Phosphat-2-Kinase oder als Fructose-2,6-BisphosphatPhosphatase wirken (Abb. 5-19). Welche der beiden Aktivitäten die PFK-2/FBPase-2 entfaltet, hängt davon ab, ob sie sich im phosphorylierten (an Ser 32) oder im nichtphosphorylierten Zustand befindet.

Das Angebot von Glucose ist hoch: Insulin wird ausgeschüttet. Über ChREBP wird die Produktion von PFK-2/FBPase-2 hochreguliert. In der nichtphosphorylierten Form (hohe PP-2A Aktivität, weil [Xy-5-P] hoch ist) wird F-6-P zu F-2,6-BP umgesetzt (Kinase-Aktivität). 

Es herrscht Glucose-Mangel: Glucagon wird ausgeschüttet. PFK-2/FBPase-2 wird phosphoryliert. Sie hydrolysiert F-2,6-BP zu F-6-P (Phosphatase-Aktaivität).

Pyruvatkinase hat mindestens 3 Isoformen; wichtig sist der unterscheid zwischen:
- den extrahepatischen Isoformen (z. B. Muskel; PK-M)
- Leber-Isovorm (PK-L)

PK-M und PK-L werden beide durch ATP, Acetyl-CoA, freie Fettsäuren (langkettig) und Alanin allosterisch inhibiert 
-> Diese Substanzen stehe für eine hohe Energiladung

Pyruvatkinase wird durch Fructose-1,6-Bisphosphat allosterisch aktiviert. Diese Verbindung signalisiert, dass Glucose in die Glykolyse eingeflossen ist

PK-L, nicht jedoch PK-M, ist zusätzlicher Regulation mittels chemischer Modifikation unterworfen. Bei tiefem Blutglucosespiegel und nach Ausschüttung von Glucagon wird PK-L durch eine cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) phosphoryliert und in die inaktive Form überführt 

PD katalysiert die Produktion von Acetyl-CoA aus Pyruvat; Dort wird über das Schicksal von Pyruvat entschiede
-> Decarboxylierung zu Acetyl-CoA und Einschleusung in den Citratzyklus
-> Carboxylierung zu Oxalacetat und Verwendung für Glucosesynthese (Gluconeogenese).

Die Regulation der PD erfolgt sowohl durch kovalente Modifikation (Phosphorylierung) als auch (indirekt) allosterisch.

PC arbeitet nur in Gegenwart von Acetyl-CoA, seinem allosterischen Aktivator (Abb. 5.23). Das heisst, die Leberzellen betreiben nur dann Gluconeogenese, wenn sie genügend Energie zur Verfügung haben; Acetyl-CoA signalisiert diesen Zustand.

Muskelzellen enthalten in der Membran spezifische Rezeptorproteine für Adrenalin. Leberzellen enthalten in der Membran das Rezeptorprotein für Glucagon und dasjenige für Adrenalin.

Bei jedem dieser Hormonrezeptoren führt das Binden des Hormons zu einer Konformationsänderung des Rezeptorproteins. Diese wird durch die Membran weitergeleitet. Durch Vermittlung von G-Proteinen (GTP-bindenden Proteine) wird auf der cytosolischen Seite das membranständige Enzym Adenylylcyclase aktiviert, welche aus ATP zyklisches AMP (cAMP) synthetisiert. cAMP reguliert darauf als intrazellulärer Überträger (second messenger) des Hormonsignals die Stoffwechselprozesse. cAMP wirkt über allosterische Aktivierung der Proteinkinase A (PKA), dem Enzym, das über eine Phosphorylierungs-Kaskade Zielenzyme aktiviert oder hemmt. Die Phosphorylierung der Enzyme erfolgt durch Bildung von Phosphatestern mit ganz bestimmten Serin- oder Threoninresten.

Zielenzym der Regulation der Glykogenolyse ist die Glykogen-Phosphorylase (GP)
GP liegt in zwei Formen vor: GPa ist die aktive Form, GPb ist weniger aktiv. 

Der Anstieg der Konzentration des Second Messengers cAMP aktiviert PKA (s. Abb. 5-24). Die aktivierte PKA phosphoryliert und aktiviert Phosphorylase-Kinase, die die Phosphorylierung von GPb an zwei Serin-Reste katalysiert (ein Ser in jeder der beiden identischen Untereinheiten) und sie dadurch in die aktive GPa Form überführt.

Die Leber und die Skelettmuskulatur exprimieren unterschiedliche GP.
-> sprechen ganz unterschiedlich auf allosterische Regulatoren an

2 Formen:
- gering aktive T-Form (engl. tense)
- die aktivere R-Form (engl. relaxed)

Muskel-Phosphorylase wird über die intrazelluläre Energieladung reguliert.
- AMP wirkt als allosterischer Aktivator der Phosphorylase b.
- ATP und Glucose-6-Phosphat wirken als allosterische Hemmer der Phosphorylase
- Ohne allosterische regulatoren überwiegt die T-Form
  -> AMP verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite der aktiveren R-Form. 
    -> Steigerung der Glykogenolyse
  -> ATP und Gluose stabilisiern die aktive T-Form

Leber-Phosphorylase wird bei genügendem Angebot von Glucose inaktiviert.
- GPb (die nicht-phosphorylierte Form) in der Leber ist wenig aktiv und kann nicht allosterisch reguliert werden
- GPa hat eine allosterische Bindungsstelle für Glucose.
  -> Dadurch wird GPa in die inaktive GPb übergeführt. 
    -> bei hoher Blut-Glucose kann dadurch die Glykogenolyse gedrosselt werden.

Die cAMP-abhängige Aktivierung des Glykogenabbaus wird durch Insulin gehemmt

Erhöhung BLutglucose -> Insulinauschüttung -> Verlangsamung der Glykogenolyse
- Zielenzym der Hemmung ist die Glykogenphosphorylase; Hemmung geschieht über 2 Mechanismen:
1. Insulin stimuliert PP1, die GPa (aktiv) in GPb (inaktiv) überführt
2. INsulinbindung am Rezeptor -> Signalkaskade -> Aktivierung der Phosphodiesterase 3B -> hydrolyse voncAMP

Glykogensynthese wird bei einem hohen Blutglucosespiegel unter dem Einfluss von Insulin durch Änderung der Aktivität der Glykogensynthase reguliert

Schlüsselenzyme der Regulation der Glykogensynthase (GS) sind GSK-3 (Glykogensynthase-Kinase-3), CKII (Caseinkinase-II) und PP-1 (Phosphoproteinphosphatase-1).

Glykogensynthase (GS) kann in einer phosphorylierten und einer nicht phosphorylierten Form vorkommen.
- aktive Form GSa; nicht phosphoryliert. 
- inaktive Form GSb; phosphoryliert

In Abwesenheit von Insulin phosphoryliert GSK-3 drei Serin-Reste nahe des N-Terminus von GSa -> es Ensteht GSb
-> GSK-3 kann GS nur dann phosphorylieren, wenn GS zuvor schon durch CKII phosphoryliert wurde (priming)
In Anwesenheit von Insulin wirddiese phosphorylierung aufgehoben: Insulin aktiviert PKB -> PKB inaktiviert GSK3

Phosphoproteinphosphatase-1 (PP1) spielt eine zentrale Rolle im Glykogenmetabolismus.

Alle 3 Enzyme, welche bei der gesteuerten Regulation des Glykogenabbaus und der Glykogensynthese phosphoryliert werden, d.h. Phosphorylasekinase, Glykogenphosphorylase und Glykogensynthase, werden durch ein einziges Enzym dephosphoryliert: Phosphoproteinphosphatase-1 (PP1).

• Die Aktivierung von PP1 hemmt die Glykogenolyse via Dephosphorylierung von Phosphorylasekinase und Glykogen-Phosphorylase. Dadurch werden beide inaktiv.
• Die Aktivierung von PP1 fördert die Glykogensynthese via Dephosphorylierung der Glykogensynthase. Diese ist in der dephosphorylierten Form aktiv.

Insulin und Glucagon/Adrenalin regulieren reziprok die Glykogensynthese und -abbau mittels Änderung der Aktivität von PP1.

PP1 wirkt zusammen mit Gm:
- Gm positioniert PP1 auf der oberfläche von Glykogengranula
  -> Nur möglich wenn Gm phosphoryliert an position 1
    -> phosphorylierung ist Insulinabhängig
  => Glykogenolyse ist gehemmt, während die Glykogensynthese aktiv ist
- Glucagon und Adrenalin führen zu PP1 phosphorylierung an position 2
  -> dissozazion von PP1 vom Granula

Die Wichtigsten Ausgangsstoffe der Gluconeogenese sind C3-Körper (Lactat, Pyruvat, Glycerin) sowie aus AS entstehende C4-Körper (α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat). Nicht möglich bei Säugern ist die Bildung von Kohlenhydraten aus Fettsäuren.

Weitere Aufgaben der Gluconeogenese (neben der Energieversorgung) sind:

• Neusynthese von Glucose aus überzähligem Lactat
• Lieferung von Bausteinen für die Synthese von Heteroglycanen

Alle Schlüsselenzyme der Gluconeogenese

• Pyruvat-Carboxylase

• Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase

• Fructose-1,6-Bisphosphatase

• Glucose-6-Phosphatase

werden nur in der Leber und in der Niere (ein wenig im Darm) exprimiert; Die Gluconeogenese findet also nur dort statt. 

Obwohl ähnlich, handelt es sich nicht um den identischen Stoffwechselweg in umgekehrter Richtung. Die drei irreversiblen Schritte der Glykolyse werden in der Gluconeogenese mithilfe separater Enzyme umgangen; diese Reaktionen sind ebenfalls irreversibel. Da beide Wege die selben Metaboliten verwenden ist eine reziproke Regulierung notwendig.

Bei der Umwandlung von Pyruvat zu PEP werden mehrere Schritte durchlaufen, wobei die Metaboliten zwischen Mitochondrium und Cytosol ausgetauscht werden

Chemisch passiert in dieser Umgehungsphase folgendes:

1. Pyruvat wird in die Mitochondrien transportiert

2. Das Mitochondriale Enzym Pyruvat Carboxylase setzt Pyruvat zu Oxalacetat um (Cofaktor: Biotin) (Selbe Reaktion, welche beim Citratzyklus aus Pyruvat Oxalacetat produziert). Dabei wird ein ATP verbraucht.

3. Oxalacetat wird zurück ins Cytosol gebracht (wo die restliche Reaktionen der Gluconeogenese ablaufen). Die innere Mitochondrienmembran ist undurchlässig für Oxalacetat; Der Export geschieht über einen Umweg:

   1. Reduktion von Oxalacetat zu Malat durch die mitochondriale Malat-Dehydrogenase

   2. Transport von Malat über die Membran (mittels Carrier)

   3. Rückoxidation von Malat zu Oxalacetat durch die cytosolische Malat-Dehydrogenase

4. Entstehung von PEP aus Oxalacetat unter Verbrauch von einem GTP

Bei dieser Reaktionsabfolge muss beachtet werden:

• Die Reaktion Pyruvat → PEP verbraucht 2 ATP; die Reatkion PEP → Pyruvat (Glakolyse) hingegen nur 1 ATP

• Der zweistufige Weg Pyruvat → PEP ist praktisch irreversibel

• Der Stofffluss Pyruvat → PEP wird erleichtert: in der Decarboxylierung von Oxalacetat zu PEP wird ein CO2 frei, in der Pyruvat-Carboxylasereaktion wird ein CO2 an Pyruvat addiert

• Die Kombination aus mitochondrialer- und cytosolischer Malat-Dehydrogenase entspricht dem Transport eines NADred aus dem Mitochondrium ins Cytosol; Dies fördert die Gluconeogenese, da NADred in der Reaktion 1,3-Bisphosphoglycerat → Glycerinaldehyd-3-phosphat gebraucht wird

Von PEP bis Fructose-1-6-phosphat sind die Reaktionen reversibel und verlaufen in beide Richtungen.

Diese Reaktion wird durch die Fructose-1,6-bisphosphatase (Cofaktor: Mg2+) katalysiert. Die Reaktion ist eine irreversible Hydrolyse des C1-Phosphats, wobei das Phosphat nicht auf ein ADP übertragen wird (keine ATP Bildung).

Katalysiert durch das Enzym Glucose-6-phosphatase (Cofaktor: Mg2+) wird die Phosphoesterbindung in Position 6 der Glucose hydrolytisch abgespalten (wiederum ohne transfer der phosphorylgruppe auf ADP).

Um einen ATP verbrauchenden Leerlauf aus Glykolyse und Gluconeogenese zu verhindern, müssen die beiden Stoffwechselwege reziprok reguliert sein. Als Beispiel die getrennte Regulation von Phospofructokinase-1 und Fructose-1,6-bisphosphatase (Abbildung 3): Bei hoher Energieladung in der Zelle wird die Glykolyse gebremst und die Gluconeogenese aktiviert.

Dabei wird die Energie von sechs Phosphatbindungen gebraucht; bei der Glykolyse werden nur 2 ATP pro Glucose gewonnen. Die Gluconeogenese ist also insgesamt ein Energie verbrauchender Stoffwechselweg.

Für die Abgabe ins Blut muss die Glucose im nichtphosphorylierten Zustand vorliegen (ansonsten gibt es keine Transporter). Zur Dephosphorylierung muss die Glucose vorübergehend in das ER aufgenommen werden (weshalb ist nicht bekannt)  

Grundsätzlich können alle Metaboliten zur Neubildung von Glucose dienen, die in Pyruvat oder Oxalacetat umgewandelt werden können. Dazu gehören:

• Viele Aminosäuren (glucogene AS) bei mangelnder Nahrungszufuhr
• Lactat (aus Glucose oder Glycogen durch anaerobem KH-Abbau v.a. in der Skelettmuskulatur und im Erythrozyt entstanden)

Sind die Glucosevorräte der Glycogenspeicher aufgebraucht (mangelnde Nahrungszufuhr), muss die Blut-Glucose-Konzentration durch Gluconeogenese konstant gehalten werden. Dabei werden als Substrat der Gluconeogenese AS aus Muskelproteinen verwendet (sog. glucogene AS). Zu den glucogenen AS gehören diejenigen die in Pyruvat oder ein Zwischenprodukt des Citratzyklus umgewandelt werden können. Acetyl-CoA, Fettsäuren und Ketonkörper können nicht zur Gluconeogenese verwendet werden.

Die Glucogenen AS sind:

• Alanin
• Glycin
• Serin
• Cystein
• Tryptophan
• Glutamin
• Glutaminsäure
• Prolin
• Histidin
• Arginin
• Valin
• Iosleucin
• Threonin
• Asparagin
• Asparaginsäure
• Methionin
• Phenylalanin
• Tyrosin

=> Alle ausser Lysin und Leucin -->Liselotte

Die Ketogenen AS sind:

• Lysin
• Isoleucin
• Tryptophan
• Leucin
• Tyrosin
• Phenylalain

Folgedessen sind folgende AS Ketogen und Glucogen:

• Isoleucin
• Tryptophan
• Tyrosin
• Phenylalanin

Iis trü türfe!

Beim glucogenen Weg (Lactat → PEP → Glucose) wird Lactat im Cytosol zu Pyruvat oxidiert (wobei NADred entsteht). Das Pyruvat wird seinerseits ins Mitochondrium importiert und dort (durch Pyruvatcarboxylase) zu Oxalacetat umgesetzt, welches wiederum in PEP umgewandelt wird. PEP wird aus dem Mitochondrium exportiert und die Gluconeogenese geht weiter (Abbildung 6 rechts).