10 Stoffwechsel - Jelezarov

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).

Da Skelettmuskeln nicht in der Lage sind, Lactat wieder in Glucose umzuwandeln (das letzte Enzym der Gluconeogenese fehlt) besteht eine Zirkulation von Metaboliten zwischen Muskel und Leber. Das aus Pyruvat entstehende Lactat wird ins Blut abgegeben und in der Leber via Gluconeogenese in Glucose zurückgewandelt; Diese Glucose wird entweder dem Glykogen in der Leber zugeführt oder gelangt übers Blut wieder in Muskeln (Cori Zyklus). Alternativ kann das Pyruvat mittels einer Tranasaminierungsreaktion in Alanin überführt werden (Abbildung 7).

Bei der Lipolyse im Fettgewebe entsteht Glycerin, welches übers Blut in die Leber gelangt; dort wird es in Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt und so in die Glucneogenese eingehschleust (Abbildung 8).

Da das ZNS dauernd Glucose braucht, ist die Regulation der Gluconeogenese wichtig, insbesondere die reziproke Regulation von Gluconeogenese und Glykolyse in der Leber. Diese Regulation geschieht bei den Enzymen, die irreversible Reaktionen der Glykolse bzw. deren umgehungsreaktionen der Gluconeogenese katalysieren. Diese Regulation basiert auf Veränderung der Enzymmenge (hormonabhängig) und Veränderung der Enzymaktivität (Abbildung 9).

Glykogen ist die polymere Speicherform von Glucose bei Wirbeltieren. Glykogen wird hauptsächlich in Leber (bis 10% des Gesamtgewichts) und in der Skelettmuskulatur (bis 2% des Gesamtgewichts) gespeichert. Der Vorteil einer polymeren Speicherform ist, dass damit die osmotischen Auswirkungen viel geringer sind. Das im Muskel gespeicherte Glykogen kann innert 1-2 Stunden verbraucht werden und dient nur dem Energiebedarf des Muskels; Das Leberglykogen hingegen dient als Glucosespeicher für andere Gewebe im Hungerzustand. Die maximal 150 g in der Leber gespeicherten Glykogen, können den Energiebedarf des Menschen für ca. 18 stunden decken.

Der Mechanismus von Speicherung und Mobilisierung von Glykogen ist in Muskel und Leber sehr ähnlich.

Glykogen ist wasserunlöslich, bindet jedoch viel Wasser; Im Cytosol bildet es Partikel 0.5 bis 2 mio Dalton Masse. Die Einzelen Glucoseinheiten sind über α(1→4)-O-glykosidische Bindungen Verknüpft wobei nach jedem 6. bis 10.Glucose Rest eine Verzweigung vorkommt; dort sind die Glucosereste über α(1→6)-O-glykosidische Bindungen verbunden. Aufgrund der Verzweigungen hat ein Glykogenmolekül sehr viele freie nicht-reduzierende Enden an denen Abgebaut werden kann (Abbildung 10).

Im Cytosol wird Glykogen in Form von grossen Granula gespeichert. β-Partikel, aus ca. 55'000 Glucosemolekülen mit ca. 2'000 reduierenden Enden, lagern sich zu mikroskopisch erkennbaren α-Rosetten zusammen. Zusätzlich Enthalten Glykosome glykogenin und Enzyme und Regulationsfaktoren.

Der Glykogenabbau geschieht mittels drei Enzymen mit insgesamt vier Enymaktivtäten. Beim Abbau werden α(1→4)-Bindungen an allen Enden gleichzeitig, katalysiert von der Glykogen-Phosphorylase, depolymerisert.

Bei der depolymerisation wird die glykosidische Bindung zwischen zwei Zuckern von einem anorganischen Phosphat angegriffen; der treminale Glucoserest wird als α-D-Glucose-1-phosphat entfernt (Phosphorolyse). 

sB

Die Phosphorylase wirkt so lange an allen freie Enden, bis es zur nächsten α(1→6)-Verzweigung nur noch drei α(1→4)verknüpfte Glucose-Reste sind (aufgrund sterischer Hemmung).Anschliessend passiert folgendes (Abbildung 11):

1. Die drei α(1→4) Glucosereste werden durch die Oligo-α(1→6)-α(1→4)-Glucan-Transferase (Debranching Enzyme) verpflanzt

2. Die zurückgebliebene α(1→6)-gebundene Glucose wird hydrolytisch unter Bindung von freier Glucose (durch die Amylo-(α1→6)-Glucosidase-Aktivität des Debranching Enzyms) abgespalten  

    

Die Gesamtreaktion des Glykogenabbaus lautet: sB

Das bei der Depolymerisierung entstehende Glucose-1-phophat wird von der Phosphoglucomutase reversibel zu Glucose-6-phosphat umgewandelt, welches weiter metabolisiert werden kann.

Im Muskel werden Glucose-6-phosphat und freie Glucose in die Glykolyse eingeschleust und dienen als Energiequelle. In der Leber wird die Glucose aus dem Glykogenabbau ins Blut abgegeben, katalysiert durch die Glucose-6-phosphatase (wird nur in Leber und Niere exprimiert).

1. Die effektive Phosphat Konzentration in der Zelle zu hoch ist und die Reaktion somit endergon wäre

2. Auf- und Abbau von Glykogen separat reguliert werden können müssen

Der Ausgangsstoff für die Glykogensynthese ist Glucose-6-phosphat welches aus freier Glucose stammt, die durch Hexokinasen phosphoryliert wird. Die Glykogensynthese läuft wie folgt ab:

1. Glucose-6-Phosphat wird durch Phosphoglucomutase zu Glucose-1-phosphat umgesetzt. Diese Reagiert mit UTP zu UDP-Glucose (Katalysiert durch Glucose-1-phosphat-UTP-Transferase) (Abbildung 12).
   → Dadurch wird eine Reaktionsfähige Form der Glucose gebildet

2. Die Glucoseresten von UDP-Glucose werden durch die Glykogen-Synthase zu Glykogenketten polymerisiert. Die Reaktion ist nur möglich, wenn ein Primer aus mindestens vier Glucoseresten vorhanden ist (Abbildung 13).

Für die Bildung von Verzweigungen wird das Enzym Amylo-(1,4-1,6)-Transglycosylase (Branching Enzyme) gebraucht; Dieses Enzym überträgt ein Fragment aus 6 oder 7 Glucoseresten vom nichtreduzierenden Ende einer Kette aus mindestens 11 gliedern auf das C6 eines Glucoserests an einer innen gelegenen Position einer Kette (Abbildung 14).

Glykogenin hat zwei Funktionen:

1. Primer für den Aufbau von Glykogenketten

2. Katalysator der Glykogensynthese

Glykogenin ist in der Lage sich selbst an einem Tyrosin-Rest zu glycolysieren (mit einer UDP-Glucose). Daran können durch Glykogenin selbst nun weitere Glucoseresten anhängen (Abbildung 15). Sobald die Kette mindestens 4 Glieder hat kann sich die Glykogensynthase Anlagern; Somit bildet sich eine erste Glucose-Kette.

Das Glykogenin bleibt kovlent am reduzierenden Ende, als bestandteil des β-Partikels, gebunden. Die Glykogenkette verlängert sich Stufenweise, bis auf 12 Schichten (entspricht 21 nm Durchmesser und 55'000 Glucosereste)(Abbildung 16).

Neben der Glykolse kann Glucose auch durch den Pentosphosphatweg PPW abgebaut werden; Dabei ist NADPox der Elektronenakzeptor. Die Bedeutung des PPW liegt in der Bereitstellung von NADPred und Pentosen für den zellulären Anabolismus. Zudem ist das Zwischenprodukt Xylulose-5-Phosphat ein wichtiger allosterischer Regulator.

Weiterverendung der Hauptprodukte des PPW:

• Pentosen; Synthese verschiedener wichtiger Verbindungen:

  • DNA, RNA

  • ATP, GTP

  • NAD, FAD

  • Coenzym A

• NADPred; Elektronendonatoe in Biosynthesen von:

  • Fettsäuren

  • Cholesterin

  • Steroidhormonen

Der PPW läuft im Cytosol ab und beginnt mit Glucose-6-phosphat. Er lässt sich in zwei Abschnitte unterscheiden (Abbildung 17):

• Oxidativer Teil; irreversibel

• Nichtoxidativer Teil; reversibel

Oxidativer Teil; irreversibel
Zwei Oxidationsschritte und eine sie begleitende Decarboxylierung liefern 2 NADPred und überführen Glucose in eine Pentose

Nichtoxidativer Teil; reversibel
Die überschüssigen Pentosen werden entweder in den glycolytischen Abbauweg oder in Synthesewege eingeschleust.

Folgende Schritte passieren (Abbildung 18):

Glucose-6-phosphat

1. Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert die Oxidation von Glucose-6-phosphat; Elektronenakzeptor ist NADPox. Die Reaktion ist stark exergon.

   6-Phosphoglucono-δ-lacton

2. 6-Phosphogluconolacton-Hydrolase hydrolisiert den intramolekularen Ester und öffnet den Ring

   6-Phosphogluconat

3. 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase oxidiert das 6-Phosphogluconat; Dabei entsteht ein zweites NADPred

   3-Keto-6-Phosphogluconat

4. Die 3-Keto-6-Phosphogluconat ist instabil und decarboxyliert spontan zu

   Ribulose-5-phosphat

Folgende Schritte passieren (Abbildung 19):

Ribulose-5-phosphat

1. a) Wird durch Ribulose-5-phosphat-Isomerase umgewandelt

   Ribose-5-phosphat

   b) wird durch Ribulose-5-phosphat-Epimerase umgewandelt

   Xylulose-5-Phosphat

2. Umlagerung durch die Transketolase; Übertragung eines C2-Fragmentes

3. Umlagerung durch die Transaldolase; Übertragung eines C3-Fragmentes

Auf diesem Weg entstehen aus drei eingeschleusten Pentosen zwei Hexosen (Fructosee-6-phosphat) und eine Triose (Glycerinaldehyd-3-phosphat).

Da Glykolyse und PPW durch gemeinsame Metaboliten (Fructose-6-phosphat und GAP) verbunden sind, kann der PPW der Stoffwechselsituation angepasst werden: Der Fluss an Verbindungen im nichtoxidativen Teil kann je nach Situation in die eine oder die andere Richtung gehen; Somit können je nach Bedarf überflüssige Pentosen abgebaut oder zusätzlich benötigte Pentosen gebildet werden.

Es wird mehr NADPred als Pentosen gebraucht (Abbildung 20)

Also soll möglichst viel NADPred erzeugt werden Die F6P fliessen wieder in den Zyklus ein.
→ In der Gesamtbilanz wird ein G6P vollständig zu 6 CO2 oxidiert wobei 12 NADPred entstehen  

1. 6 Glucose-6-phosphat werden zu 6 Ribulose-5-phosphat; Dabei entstehen 12 NADPred

2. Ribulose-5-Phosphat (Ru5P) kann zu 4 Fructose-6-phosphat (F6P) und 2 GAP umgewandelt werden

3. Die GAP werden zu F6P kondensiert (glyconeogenese)

Der Bedarf an R5P und NADPred ist ungefähr gleich gross (Abbildung 21)
Nur die oxidative phase des PPW ist aktiv. Da das R5P abgeführt wird, laufen die nichtoxidativen Umwandlungen nicht.

Es wird mehr R5P als NADPred gebraucht (Abbildung 22)
Die oxidative Phase des PPW wird inaktiv. Der Nichtoxidative Teil läuft rückwärts und wird mit metaboliten aus der Glkolyse gefördert (diese Variante kostet Energie)

Es wird NADPred und NADred benötigt (Abbildung 23)

1. 3 G6P werden im oxidativen Teil des PPW zu Ru5P abgebaut; 6 NADPred entstehen

2. Ru5P wird in 2 F6P und ein GAP umgeformt

3.  

   Diese fliessen in die Glykolyse und werden zu 5 Pyruvat; pro Pyruvat werden 2 ATP und ein NADred produziert (zudem werden aber 2 ATP verbraucht)