11 MZB I - Jelezarow

Durch die Abspaltung von H2O aus 2-Phosphoglycerat entsteht Phosphoenolpyruvat (PEP), welches ein sehr hohes Phosphorylgruppen-Übertragungspotential besitzt

PhosphopyruvatHydratase (Enolase; EC 4.2.1.11)

Die Phosphatgruppe des energiereichen Phosphoenolpyruvats (PEP) wird auf ADP übertragen und es entsteht ATP
-> Substratkettenphosphorylierung.

Pyruvat-Kinase (EC 2.7.1.40)

s.B.

Drei der zehn Glykolysereaktionen sind praktisch irreversibel :

1. Glucose + ATP → Glucose-6-phosphat + ADP (Hexokinase)
3. Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat + ADP (Phosphofructokinase)
10. Phosphoenolpyruvat + ADP → Pyruvat + ATP (Pyruvatkinase)

Die meisten eukaryotischen Organismen exprimieren verschiedene Isoenzyme der Hexokinase. Beim Menschen gibt es vier Isoformen (I-IV). Diese unterscheiden sich in ihren kinetischen Eigenschaften und Regulation:

Die Kurve für Hexokinase IV (Glucokinase; exprimiert im Hepatocyt) hat einen sigmoidalen Verlauf und ist im physiologischen Bereich der Blutglucosekonzentration wenig aktiv. Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Glucose zu Glucose-6phosphat steigt proportional zum Glucoseangebot; sie steigt weiter auch über 10 mM Glucose. Hingegen arbeiten die Hexokinasen I-III bei bereits bei 5 mM Glucose in der Nähe von Vmax.

Die Aktivität der Hexokinase(n) in Tieren wird zwar reguliert, aber man kann diese Regulation in Bezug auf die Regulation der gesamten Glykolyse als „schwach“ abstufen
-> Der Grund ist, dass wenn Galactose (auch andere Monosaccharide) oder Glykogen die Quelle von Glucose-6-phosphat sind, der erste Schritt der Glykolyse effektiv umgangen wird

Keine Regulationsmechanismen sind für die pflanzliche Hexokinase(n) bekannt.

Bakterielle Hexokinasen und Glucokinasen haben eine untergeordnete Rolle, da die Phosphorylierung von Glucose in den meisten Bakterien durch ein Phosphoenolpyruvat-abhängiges Zucker-PhosphotransferaseSystem bewerkstelligt wird

Mensch:
- Hexokinasen I-III haben einen tiefen Km-Wert (~ 1 mM) und folgt Michaelis-Menten-Kinetik. Das Produkt Glucose-6-phosphat ist allosterischer Inhibitor.
- Hexokinase IV (Glucokinase) wird allosterisch durch Glucose-6-phosphat nicht inhibiert.

Der wichtigste Kontrollpunkt der Glykolyse ist die Reaktion Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat + ADP (die durch die Phosphofructokinase-1 (PFK-1) katalysiert wird)
-> Produkt Fructose-1,6-bisphosphat ist ein Metabolit, welcher nur in der Glykolyse vorkommt

PFK-1 Katalysiert eine Starke exergone Phophorylierung
-> Praktisch irreversible Reaktion
  -> Glucose wird in diesem Schritt definitiv in die Glykolyse eingeschleust

PFK-1 ist in allen Geweben das geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Glykolyse

Regulation:
Allosterische Inhibitoren: ATP (bei hoher Konzentration), weitere "Energieüberschusssignale" (NADH/H⁺ und Citrat)
Allosterische Aktivatoren: Energiemangelsignale; AMP, ADP
->Das Enzym reagiert somit auf das Verhältnis ATP/AMP. 

Bifunktionelles Enzym:

-Bildet F-2,6-BP durch phsphorylierung von Fructose-6-phosphat in Position 2

-Hydrolisiert denselben Phosphatester in Position 2 

-> Damit das Enzym nicht gleichzeitig beide Aktivitäten ausführt, wird es reguliert, sodass es entweder als Kinase oder als Phosphatase arbeitet
  -> Die Regulation geschieht durch Phosphorylierung (Phosphataseaktivität hoch) bzw. Dephosphorylierung (Kinaseaktivität hoch) eines Serinrests an einer regulatorischen Stelle des Enzyms (Regulation durch chemische Modifikation)

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

Das Angebot von Glucose ist hoch. In der nichtphosphorylierten Form hat PFK-2/FBPase-2 Kinase-Aktivität: F-6-P wird zu F-2,6-BP umgesetzt. Die Dephosphorylierung wird durch Phosphoproteinphosphatase2A (PP-2A) bewerkstelligt. Dieses Enzym hat eine hohe Aktivität bei grossem Glucoseangebot, weil es allosterisch durch Xylulose-5-phosphat (Xy-5-P) aktiviert wird. Xy-5-P ist ein Zwischenmetabolit des Pentosephosphatwegs.

Pyruvatkinase katalysiert den letzten Schritt der Glykolyse: Phosphoenolpyruvat → Pyruvat.

Beim Menschen werden (mindestens) 3 Isoformen exprimiert, die in verschiedenen Geweben vorkommen
-> Regulatorisch wichtig ist der Unterschied zwischen den extrahepatischen Isoformen (z. B. Muskel; PK-M) und der Isoform, die nur in der Leber exprimiert wird (PK-L)

PK-M und PK-L werden beide durch ATP, Acetyl-CoA, freie Fettsäuren (langkettig) und Alanin allosterisch inhibiert
-> Alle diese Verbindungen signalisieren eine gute Energieversorgung
Die Pyruvatkinase wird durch Fructose-1,6-Bisphosphat allosterisch aktiviert
-> „feed-forward“ Aktivierung

(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. Die Glykolyse (Abbau von Glucose) wird verlangsamt und Glucose steht für den Export zum Gehirn und anderen Geweben zur Verfügung. Durch Dephosphorylierung wird PK-L aktiv.)

Als Gärung wird ein Stoffwechselprozess bezeichnet, in dem unter Anaerobie (Sauerstoffausschluss) Kohlenhydrate zum Energiegewinn abgebaut werden.

Sie wird vor allem von Mikroorganismen genutzt, jedoch können auch Pflanzen unter Sauerstoffmangel auf sie zurückgreifen. In den Muskeln wird unter Sauerstoffmangel Milchsäuregärung durchgeführt

Gärungen dienen dazu, dass in der Reaktion 6 der Glykolyse gebildete NADred wieder zu NADox oxidiert zu werden. Da die Menge an NAD in der Zelle limitiert ist, erlaubt die Rückoxidation einen kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse

In den Muskeln wird unter Sauerstoffmangel Milchsäuregärung durchgeführt. Gärungen dienen dazu, dass in der Reaktion 6 der Glykolyse gebildete NADred wieder zu NADox oxidiert zu werden. Da die Menge an NAD in der Zelle limitiert ist, erlaubt die Rückoxidation einen kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse

Die Milchsäuregärung ist eine exergone, ATP liefernde Reaktionsfolge

Die Nettoreaktion der Milchsäuregärung lautet:
Glucose + 2 ADP + 2 Pa --> 2 Lactat + 2 ATP + H2O; ∆G'° = -136kJ/mol

Lactatdehydrogenase (LDH; EC 1.1.1.27) 

Der Skelettmuskel ist auch unter aeroben Bedingungen nicht in der Lage, Lactat wieder in Glucose umzuwandeln, denn es fehlen die Enzyme der Gluconeogenese.18 Aus diesem Grund besteht eine Zirkulation von Metaboliten zwischen Muskel und Leber. Die Leber verfügt über einen hoch aktiven Satz der Gluconeogenese antreibenden Enzyme. Die bei Muskelbetätigung aus Pyruvat entstehende Milchsäure wird als Lactat an den Blutkreislauf abgegeben Die Leber nimmt Lactat auf und wandelt es auf dem Weg der Gluconeogenese über Oxalacetat in Glucose zurück

Der Transport von Lactat aus der Skelettmuskulatur in die Leber, wo durch die Gluconeogenese Glucose resynthetisiert wird, welche dem Körper (Muskulatur) wieder zur Verfügung gestellt wird, wird Cori-Zyklus genannt. Eine Variante des Cori-Zyklus ist der Alanin-Zyklus: Pyruvat aus der anaeroben Glycolyse wird durch Transaminierung in Alanin übergeführt. Ähnlich wie Lactat gelangt das Alanin aus dem Muskel via das Blut in die Leber, wo es ebenfalls in die Gluconeogenese einfliesst (Glucosesynthese).

Ethanolgärung in der Hefe. Pyruvat wird in zwei enzymatischen Schritten zu Ethanol und CO2 abgebaut.

Pyruvatdecarboxylase (EC 4.1.1.1) und Alkoholdehydrogenase (ADH; EC 1.1.1.1) 

Glucose + 2 ADP + 2 Pa --> 2 C2H5OH + 2 ATP + H2O

Katabolismus (katabole Reaktionen):

Anabolismus (anabole Reaktionen)

Energie liefernder Abbau von chemisch komplex aufgebauten Nahrungsstoffen zu einfacheren Substanzen. Dabei wird Energie gewonnen und in Form von ATP und NADred gespeichert

-> Katabole Stoffwechselwege sind grundsätzlich oxidativ: Es entstehen Reduktionsäquivalente.

Energie verbrauchender Aufbau von körpereigenen Substanzen aus einfachen Bausteine

-> Anabole Stoffwechselwege sind grundsätzlich reduktiv: Reduktionsäquivalente werden verbraucht

Einige Stoffwechselwege sind sowohl katabol als auch anabol und werden als amphibol bezeichnet.
-> Ein klassisches Beispiel ist der Citratzyklus

Reaktionspartner, Zwischenprodukte und Endprodukte im Metabolismus

Allosterie ist die Eigenschaft vieler aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzter Proteine, ihreRaumstruktur unter der Beeinflussung des aktiven Bindungszentrums zu verändern. Proteine mit dieser Eigenschaft werden allosterische Proteine genannt. 

Effektormoleküle können die Enzymaktivität steigern oder verringern. Häufig wirken Metabolite und Coenzyme, die in einem Stoffwechselweg vorkommen, als allosterische Regulatoren von Enzymen in einem früheren oder späteren Schritt des gleichen Weges (feed-back oder feed-forward Mechanismen).

Seitenketten eines Enzyms können chemisch modifiziert werden. Dies führt zur Veränderung der Stereochemie oder der elektrostatischen Verhältnisse im aktiven Zentrum, oder zu weitgehenden Konformationsänderungen. Als Resultat wird die Aktivität des Enzyms moduliert

-> Die bei weitem häufigsten Modifikationen dieser Art sind Phosphorylierungen von Serin, Tyrosin und Threonin. Phosphorylierungen werden durch Proteinkinasen katalysiert
  -> Nach Bedarf werden die modifizierten Seitenketten durch Phosphoproteinphosphatasen dephosphoryliert

Einander entgegen gerichtete Wege enthalten zwei Metabolite, die von zwei unterschiedlichen Enzymen zyklisch ineinander umgewandelt werden.

Das Produkt der einen Reaktion ist Substrat der anderen und umgekehrt. Der Stofffluss von A nach D kann dramatisch erhöht werden, indem die Reaktion B → C beschleunigt und die Rückreaktion C → D verlangsamt werden

Transkriptionsfaktoren, im allgemeinen DNA-bindende Proteine (Protein-DNA-Interaktion), die positiv oder negativ regulierend auf die Transkription eines oder mehrerer Gene einwirken

ranskriptionsfaktoren sind Proteine, die durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung (z. B. als Folge einer hormoninduzierten Signalkaskade) oder durch Bindung von spezifischen Liganden aktiviert werden. Sie befinden sich im Zellkern oder werden nach Aktivierung in den Zellkern importiert und binden dort spezifische DNA-Sequenzen, die sog. ResponseElemente, die in der Nähe des Genpromotors positioniert sind. Die Erkennung des Response-Elements und die Rekrutierung von zusätzlichen Proteinen bewirkt Aktivierung oder Deaktivierung des Gens oder einer ganzen Gruppe von Genen, was zu verstärkter oder verminderter Synthese von Enzymen führt

s.B.

In der Oxidationsrichtung wird formal Wasserstoff frei

Sie werden von Oxidoreduktasen katalysiert. Diese Enzyme haben oft Cofaktoren, die Elektronen übertragen, z.B. Hämgruppe oder Metallionen

Viele Oxidations-Reduktions-Reaktionen sind Dehydrogenierungen. Die katalysierenden Enzyme heissen Dehydrogenasen (eine Untergruppe der Oxidoreduktasen).

Transferasen katalysieren Gruppenübertragungen von einem Molekül auf ein anderes

Die Spaltung (Hydrolyse) einer Ester- oder Amidbindung mit Wasser wird von Hydrolasen katalysiert

Diese einfache Reaktionen sind meistens exergon und kommen z.B. beim Abbau von Proteinen (Proteasen und Peptidasen: Trypsin, Chymotrypsin, Carboxypeptidase), Stärke (Amylase) und Triglyceriden (Lipase) im Darm vor

Bei diesen von Lyasen katalysierten Reaktionen wird eine Gruppe unter Bildung einer Doppelbindung abgespalten resp. eine Gruppe an eine Doppelbindung addiert
-> Lyase-Reaktionen sind keine Redoxreaktionen!