Biochemie: Kohlenhydratstoffwechsel

• Lactat (Muskel und Erythrozyten)
• Glycerin (Fettgewebe)
• glucogenen AS (Muskel)

Grundsätzlich ist die Gluconeogenese die Umkehrreation der Glycolyse. 3 Reaktionen verlaufenjedoch irreversibel und mit einem hohen ΔG°. Diese müssen in der Gluconeogenese von anderen Enzymen katalysiert werden

1. Bildung von Oxalacetat. In den Miochondrien wird Pyruvat zum Oxalacetat unter ATP verbrauch durch die Biotin-abhängigen Pyruvat-Carboxylase carboxyliert. Oxalacetat ist ein Zwischenprodukt des Citratzykluses und kann das Mitochondrium nicht verlassen. Deshalb muss es mittels der mitochondriale Malat-Dehydrogenase zu Malat reduziert werden (Malat hat einen Transporter). Im Cytoplasma wird Malat über die zytosolische Malat-Dehydrogenase zum Oxalacetat oxidiert. 
2. Im Zytosol wird Oxalacetat mit der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase und unter GTP verbrauch zu Phosphoenolpyruvat phosphoryliert und decarboxyliert. 

• Quellen: Leber, Niere, Eigelb, Hefe
• Pathobiochemie: (selten)

• Stoffwechsel: In seiner aktiven Form ist Biotin kovalenz an Enzyme gebunden 
• Biochemische Funktionen: Biotin ist Coenzym bei vielen Carboxylierungsreaktionen (vorübergehende Bindung von CO₂ mit anschliessender Übertragung auf das Substrat)
• Bedarf: 10 μg/Tag. Das meiste vom Organismus benötigte Biotin wird von Darmbakterien synthetisiert

Die Umwandlung von F-1,6BF zu F-6-P wird durch die Fructose-1,6-Biphosphatase katalysiert. Dabei wird der Phosphatrest hydrolytisch gespalten und kann nicht zur Synthese von ATP verwendet werden.

F-1,6-BP + H₂O --> F-6-P + P_i

Der letzte Schritt findet im ER statt Katalysiert wird er von der Glucose-6-Phosphotase, welche in der ER-Membran lokalisiert ist und den Phosphatrest im G-6-P hydrolytisch spaltet. Die Glucose wird dann ins Blut abgegeben.

G-6-P + H₂O --> Glucose + P_i

_{G-6-Pase kommt in nennenswerter Konzentration nur in der Leber und der Nierenride vor, weshalb nur diese in grosser Menge Gluconeogenese betreiben können.}

Die Regulation erfolgt hauptsächlich auf der Stufe der Umwandlung von F-6-P in F-1,6-BP (resp. der Umkehrreaktion)

• Glycolyse:
  • Hexokinase: G-6-P inhibiert
  • Phosphofructokinase:
    • aktivierend: F-2,6.BP, AMP
    • inhibierend: Citrat, ATP
  • Pyruvatkinase:
    • aktivierend: F-1,6-BP
    • inhibierend: Acetyl-CoA, ATP, Alanin
• Gluconeogenese
  • Glucose-6-pohphatase: G-6-P aktivierend
  • Fructose-1,6-Bisphosphatase
    • aktivierend: Citrat
    • inhibierend: F-2,6-BP, AMP
  • Pyruvat-Carboxylase: Acetyl-CoA aktivierend

Zeigt die Verwertung vom Lactat, welches bei der anaeroben Glycolyse anfällt. Lactat wird von den meisten Organen ins Blut abgegeben und von der Leber und vom Herzen aufgenommen. In der Leber wird das Lactat über die Gluconeogenese wieder zu Glucose resynthetisiert, die dann über das Blut anderen Organen zum Abbau in der Glycolyse zur Verfügung steht.

Dies ist der Grund, weshalb man einen Marathon laufen kann.

Statt der ATP-Gewinnung dient dieser Annagu der Glucose zur Bildung von Ribulose-5-phosphat (C5), welches essentiell für die Nucleotidsynthese ist. Ausserdem entsteht NADPH, welches bspw. bei der FS- und Hormonsynthese benötigt wird.

Dieser vorgang wird auch HMP (Hexosemonophosphat)-Shunt genannt, da alternativ die R-5-P in einem zyklischen Prozess in F-6-P und Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt werden kann. 

Es findet im Cytosol statt und hat eine oxidative und eine nicht-oxidative Phase.

1. G-6-P wird durch die Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase in einer NADP⁺-abhängigen Reaktion zum 6-Phosphogluconolaceton oxidiert. Dabei entsteht NADPH.
2. 6-Phosphogluconolaceton wird durch die Lactonase in 6-Phosphogluconat umgewandelt
3. 6-Phosphoglucanat wird durch die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase in einer NADP⁺-abhängigen Reaktion zu Ribulose-5-Phosphat oxidiert und decarboxyliert. Dabei entsteht erneut NADPH.

Ribulose-5-phosphat wird entweder in das Epimer Ribose-5-Phosphat oder in das Isomer Xylulose-5-phosphat überführt.

• Transketolase (Vit. B1)
  • Ribose-5-phosphat --> Sedoheptulase-7-phosphat (C7)
  • Xylulose-5-phosphat --> Glycerinaldehyd-3-phosphat (C3)
• Transaldolase
  •  Sedoheptulase-7-phosphat (C7) --> Erythose-4-phosphat (C4)
  • Glycerinaldehyd-3-phosphat (C3) --> Fructose-6-phosphat (C-6)
• Transketolase
  • Erythose-4-phosphat (C4) + Xylulose-5-phosphat --> Fructose-6-phosphat (C-6) + Glycerinaldehyd-3-phosphat (C3)

Je nach Stoffwechsellage (Energiebedarf) werden die zwei Produkte des HMP- Shunts via Glycolyse oder Gluconeogenese verwertet. 

In der Summe ist also 1 G-6-P unter BIldung von NADPH vollständig zu CO₂ oxidiert worden

G-6-P + 12 NADP⁺ + 7 H₂O --> 12 NADPH + 12 H⁺ + 6 CO₂ + P_i

• Quellen
  • Kommt in geringen Mengen in fast allen Nahrungsmitteln vor; heute oft angereichert (Mehl, Brot, Teigwaren).
• Pathobiochemie:
  • Thiaminmangel führt zur Beriberi-Krankheit (neurologische Ausfälle). Sie tritt v.a. dort auf, wo polierter Reis (-> führt zu Verlust an Thiamin) als Hauptnahrungsmittel verwendet wird. Gelegentlich tritt ein Thiaminmangel auch bei Schwangerschaft auf.

• Stoffwechsel
  • Die biologisch aktive Form von Thiamin ist das Thiaminpyrophosphat (Phosphorylierung durch ATP in Lebermitochondrien).
• Biochemische Funktionen
  • Thiaminpyrophosphat wirkt als Coenzym bei der dehydrierenden Decarboxylierung von α-Ketosäuren (Pyruvat, s. später; α-Ketoglutarat) sowie bei der Transketolase (Glucose-Abbau via HMP-Shunt).
• Bedarf
  • Stoffwechselabhängig; 0.1 - 0.12 mg/1000kJ

• Braucht die Zelle NADPH aber keine Pentosen, werden die C-Atome aus dem Glucose-Abbau der Glycolyse oder Gluconeogenese zur Verfügung gestellt (daher die Bezeichnung ‚Shunt').

• Braucht die Zelle Nucleotide aber kein NADPH, werden diese aus Glycolyse-Zwischenprodukten hergestellt. 

Glucose-ähnliche Zucker wie Fructose, Galactose oder Mannose werden nicht in separaten Stoffwechselwegen metabolisiert, sondern durchlaufen eine Reihe von vorgeschalteten Reaktionen, bevor sie an geeigneten Stellen in die Gylcolyse eingeschleust werden:

Fructose wird in Form von Saccharose in beächtlicher Menge mit der Nahrung aufgenommen. Abbau der Fructose erfolgt via Umwandlung in Glycolyse-, resp. Gluconeogenese-Zwischenprodukte.

• Fructosurie: Defekt/Mangel an Fructokinase
• Fructoseintoleranz:  Defekt/Mangel an Alsolase B

Galactose wird hauptsächlich in Form von Lactose aufgenommen. Die Verwertung von Galactose erfolgt via Umwandlung in Glucose-Metaboliten, resp. via Aufbau zu Lactose.

Fast alle mit der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate müssen im Körper zuerst in Glucose umgewandelt werden, bevor sie zur Energiegewinnung gebraucht werden können! Alle im Organismus vorkommenden Kohlenhydrate können aus Glucose synthetisiert werden 

• Glucose als Energielieferant:
  • Abbau via Glycolyse (1)
  • Abbau via Pentosephosphatweg (2)
• Glucose als Energiespeicher:
  • Synthese via Gluconeogenese (3)
  • Speicherung als Glycogen, Stärke (4)
• Glucose als Grundbaustein:
  • Umwandlung in andere Monosaccharide und deren Derivate (5)
  • Einbau in Heteroglycane (6)

• Glucose: in Früchten: Bestandteil von Stärke, Glycogen, saccharose, Lactose
• Galaktose: in Milch: Bestandteil von Lactose
• Fructose: in Früchten: Bestandteil von Saccharose

• Ribose: Bestandteile von Nucleinsäure, Coenzymen, Desoxyribose
• Ribulose: Stoffwechselzwischenprodukt im Glucoseabbau

vergl. Bild

Saccharose besteht aus α-D-Glucose und  β-D-Fructose. Sie sind über eine α,β-1,2-glycosidische Bindung verbunden

Besteht aus D-Galactose und D-Glucose. Diese sind über eine β-1,4-glycosidische Bidung miteinander verbunden.

Besteht aus 2 Glucose-Molekülen, welche über eine α-1-4-glycosidische Verbindung miteinander verknüpft sind. 

Oligosaccharide bestehen aus kurzen Ketten von Monosacchariden (bis 9 Einheiten). Im Tierreich kommen sie praktisch nur in gebundener Form in Glycoproteinen und in Gangliosiden vor.

Polysaccharide bestehen aus langen Ketten mit Hunderten oder Tausenden von Monosaccharideinheiten, die über glycosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. 

• Stärke: Kommt in Pflanzen vor und dient als Energiespeicher. Es besteht aus Glucosen, welche α1->4 (± α1->6) verknüpft sind
• Glycogen: Kommt in Tieren vor und dient der Energiespeicherung. Es besteht aus Glucosen und ist α1->4 (α1->6) verknüpft
• Cellulose: Kommt in Pflanzen als Stützsubstanz vor und ist ebenfalls aus Glucosen aufgebaut, welche β1->4 verknüpft sind.

• Glycoproteine: weit verbreitet, kann aus 2-20 Monosacchariden (MS) bestehen
• Proteoglycane: in der extrazellulären Matrix, besteht aus Dissachariden
• Glycolipide: Bestandteil der Membran, verschiedene MS
• Lipopolysaccharide: äussere Bakterien-Membran, verschiedene MS

Durch Oxidation von Zucker zu CO2 und H2O wird die im Zucker gespeicherte chemische Bindungsenergie in eine Energieform umgewandelt, die von der Zelle genutzt werden kann. 

In der Zelle katalysieren Enzyme die Zucker-Oxidation durch eine Folge kleiner, streng kontrollierter Einzelreaktionen. Die dabei gewonnene Energie wird in Portionen auf Trägermoleküle (ATP, NADH) übertragen. 

Glycogen und Stärke werden aufgenommen. Im Speichel befindet sich die α-Amylase Ptyalin, die die KH vorverdaut. Im Darm Teilt die Pankreasamylase Polysaccharide in Oligosaccharide. Diese Oligosaccharidbruchstücke/Disaccharide (Lactose & Saccharose) werden in Monosaccharide gespalten durch Disaccharidasen (Maltasen, Lactasen, Saccharasen) an den Mucosazellen.

Glucose wird sekundär aktiv über einen Glucose/Na⁺-Symporter (SGLT 1) in die Mucosazellen aufgenommen. Durch die basolaterale Zellmembran werden die Monosaccharide entlang dem Konzentrationgefälle über GLUT-1 an das Blut abgegeben. Eine Na⁺K⁺-ATPase sorgt dafür, dass die Na⁺-Konzentration in der Zelle tief bleibt.

• Blutkonzentration: Konstante Konzentration 3.5-5.5 mmol/l
• Exogene Quellen: Stärke; dazu Saccharose, Lactose
• Endogene Quellen: Glycogenabbau (Leber), Glucosesynthese (Leber)

• Nervengewebe: 140-150 g/Tag
• Nierenmark: ca. 40g /Tag
• Erythrozyten: ca. 40g/Tag

1. Abbau des C6-Körpers Glucose zu den 2 C3-Körpern des Glycerinaldehyd-3-phosphats
2. Abbau des Glycerinaldehyd-3-phosphats zu Pyruvat unter ATP-Gewinn.

1. Phosphorylierung zu Glucose-6-Phosphat. Diese Reaktion wird durch die Hexokinase katalysiert. ATP wird als Phosphat-Donator benötigt (Phosphorylierung am C6-Atom). Hexokinase hat einen sehr tiefen K_m-Wert für Glucose und wird durch das Produkt Glucose-6-Phosphat inhibiert.

Ausser in die Glykolyse kann Glucose-6-Phosphat in die Glykogensynthese oder den Pentosephosphatweg eingeschleust werden

2. Isomerisierung zu Fructose-6-phosphat. Die Reaktion wird durch die Glucose-6-phosphat-Isomerase katalysiert

3. Phosphorylierung zu Fructose-1,6-bisphosphat. Als Phosphat-Donator wird wiederum ATP benötigt. Phosphoryliert wird das C1-Atom des Fructose-6phosphats und durch die Phosphofructokinase-1 (PFK-1) katalysiert. Dieser Schritt ist praktisch irreversibel und wird vielfach allosterisch reguliert, sodass hier die Geschwindigkeit des Glucoseabbaus in der Glycolyse bestimmt wird.