10 Stoffwechsel - Jelezarov

Diese Erbliche Störung zeigt sich, aufgrund einer verminderten enzymatischen Aktivität der G6P-Dehydrogenase, in einer ungenügenden Versorgung der Erythrocyten mit NADPred (Abbildung 25). Der Defekt betrifft ein Gen auf dem X-Chromosom.

Diese Personen sind normalerweise nicht anämisch; die Störung manfestiert sich , wenn die Erythrocyten oxidativem Stress ausgesetzt werden, z.B.:

• Medikamente mit oxidativem Effekt, wie z.B.

  • Malariaprophylaxe-Mittel Primaquin

  • andere Antimalaria-Medikamente

  • Sulfonamde (Klasse von Antibiotika)

  • Aspirin (Acetylsalycylsäure)

  • NSAIDs (Nonsteroidal Antiinflammatory Drugs)

  • Nitrofurantoin

• Exposition zu Chemikalien (z. B. Mottenkugeln)

• Infektionen

• Einige Nahrungsmittel (z. B. Fava-Bohnen)

Dieser oxidativ Stress führt (bei Leuten mit diesem Gendefekt) zu H2O2 Akkumulation, welche wiederum die Erthrocytenmembran schädigt. Dies führt zu verkürzter Lebensdauer von Erythrocyten und als Folge häolytische Anämie und Gelbsucht.

Alle für den menschlichen Stoffwechsel notwendigen Kohlenhydrate können prinzipiell auch vom Menschen synthetisiert werden. Kohlenhydrate sind also keine essentiellen Nährstoffe. Stärke ist für Menschen die Hauptquelle an Kohlenhydraten; Sie wird durch α-Amylase im Mund und der pankreatischen α-Amylase im Dünndarm zerkleinert zu Maltose. In der Nahrung aufgenommenes Glycogen hat die selbe Struktur wie Stärke. Disaccharide müssen zuerst extrazellulär zu Monosacchariden hydrolisiert werden, ehe sie in die Zelle aufgenommen werden können; Entsprechende Enzyme sind an die Oberfläche des Darmepithels gebunden.

Neben Glucose sind Galactose und Fructose de wichtigsten Monosaccharide der Nahrung. Fructose entsteht bei der Saccharosespaltung (durch β-Fructofuranosidase), Galactose bei der Lactosespaltung (durch β-D-Galactosidase). Zusätzlich ist Mannose ein bedeutendes Monosaccharid. Alle drei Monosaccharide werden in den glycolytischen Weg eingeschleust und abgebaut.

Fructose kann von der Hexokinase zu F6P phosphoryliert werden, dies geschieht aber nur selten. In der Leber jedoch hat es drei spezielle Enzyme, welche Fructose in die Glycolyse einschleusen (Abbildung 26):

            Fructose

1. Die Ketohexokinase (Fructokinase) blidet Fructose-1-phosphat

   Fructose-1-phosphat

2. Fructose-1-Phosphat-Aldolase spaltet F1P

   Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd

3. Die Triokinase phosphoryliert Glycerinaldehyd zu Glycerinaldehyd-3-phosphat  

    

Fructose wird von den Glucosetransportproteinen GLUT-5 und GLUT-2 ins Blut überführt; Mangelt GLUT-5 (10% der Weltbevölkerung) äussert sich das durch Blähungen, Magendruck oder Durchfall aber auch Kopfschmerzen, Abgeschlagenheit, Schlafstörungen und Hautprobleme. Herditäre Fructoseintleranz ist ein genetischer Defekt am Enzym Fructose-1-Phosphat-Aldolase; Das sich anhäufende F1P hemmt die Glycogenolyse und die Gluconeogenese. Symptome bestehen in Magendarmstörungen und den Folgen einer Hypoglycämie.

Um Galactose in die Glykolyse einzuschleusen, wird sie in Glucose umgewandelt; Uridinphosphat ist dabei als Zucker-Carrier beteiligt (Abbildung 27).

            Galactose

1. Galactosekinase phosphoryliert

   Galactose-1-phosphat

2. Diese wird in einem Kreisprozess umgewandelt

   Glucose-1-phosphat

3. wird isomerisiert

   Glucose-6-phosphat

Dieser Zyklus kann auch in umgekehrter Richtung ablaufen.

Galactosämien sind Entgleisungen des Galactosestoffwechsels; Am häufigsten ist ein erblicher Mangel an Galactose-1-phosphat-Uridyltransferase: Aufnahme von Milch führt zu Erbrechen und Durchfall. Lactoseintoleranz hingegen ist ein Mangel an Lactase (welche Lactose in Glucose und Galactose spaltet); Die unverdaute Lactose wird von Darmbakterien vergoren, Blähungen und Durchfall sind die Folge.

Mannose wird (Na+ abhängig) über den SGLT-4 Transporter in Darm aufgenommen und über GLUT2 in die Blutbahn freigesetzt. In der Zelle wird Mannose durch Hexokinase zu Mannose-6-phosphat phosphoryliert. Danach wird sie entweder zum Aufbau von Glycoproteinen verwendet oder zu Fructose-6-Phosphat umgewandelt (Abbildung 28).

Die Bildung von UDP-Glucose wird durch UDP-Glucose-Phosphorylase katalysiert. Die Phosphatgruppe des G1P greifft die α-Phosphatgruppe von UTP an; dabei wird Pyrophosphat freigesetzt (welches anschliessend zu zwei Phosphatmolekülen abgebaut wird; durch diese Hydrolyse wird die ganze Reaktion angetrieben)(Abbildung 29).

Für die Lactosesynthese wird UDP-Galactose benötigt; diese Entsteht durch Epimerisierung von UDP-Glucose. Lactose-Synthase-Aktivität kommt nur in der laktierenden Brustdrüse vor.

Ähnlich wie UDP-Glucose ist UDP-Glucoronsäure aufgebaut; sie ist Edukt für den Einbau von Glucoronsäure in Heteroglykane und Synovialflüssigkeit indem sie Glucoronsäure an schlecht wasserlösliche Substanzen koppelt.

• Allosterische Regulation: Die Enzymaktivität wird durch Effektormoleküle gesteigert oder verringert; Häufig über feed-back oder feed-forward Mechanismen . Wichtig ist die allosterische Regulation durch AMP, ADP und ATP.

• Regulation durch Substrate und Produkte: Die Geschwindigkeit von enzymatischen Reaktionen hängt von der Substratkonzentration ab.

• Bindung an regulatorische Proteine: können die Aktivität eines Enzyms verändern

• Kovalente Modifikation: Bewirken z.T. ein Ein/ausschalten des Enzyms. Am häufigsten sind phosphorylierungen von Serin, Tyrosin und Threonin (katalysiert durch Proteinkinasen, dephosphorylierung durch Phosphoproteinphosphatasen)

• Veränderung der Zahl der Enzymmoleküle:Durch eingriff in die Transkritption des Gens; Transkriptionsfaktoren sind Proteine die im Zellkern aktiv sind und dort an spezifische DNA-Sequenzen (Response-Elements) binden.

   

Insulin: wird in den β-Zellen des Pankreas, stimuliert von Glucose und parasympathischen Nerven, ausgeschüttet. Es stimuliert auf verschiedenen Wegen die Substrataufnahme in die Zellen, die Brennstoffspeicherung und die Proteinbiosynthese:

• Aufnahme von Glucose in die Muskel- und Fettzellen

• Stimulierung der Glykogensynthese im Muskel und in der Leber

• Unterdrückung der Gluconeogenese in der Leber

• Beschleunigung der Glykolyse und Steigerung der Fettsäuresynthese in der Leber

• Steigerung der Synthese und Speicherung von Triacylglycerinen im Fettgewebe

• Förderung der Aufnahme von Aminosäuren in den Muskel und der Proteinsynthese

• Hemmung des intrazelullären Proteinabbaus

Glucagon: wird bei niedrigem Blutzucker (Hunger) aus den α-Zellen des Pankreas ausgeschüttet; Sein Ziel ist die Leber.

• Stimulierung des Glykogenabbaus und Hemmung der Glykogensynthese

• Hemmung der Glykolyse und Stimulierung der Gluconeogenese

• Hemmung der Fettsäuresynthese und Mobilisierung von Triacylglycerinen

Adrenalin und Noradrenalin: Werden von Nebenniernmark und sympathiscehn Nervenendigungen ausgeschüttet. Der Glykogenolytische Effekt ähnelt demjenigen von Glucagon, aber Hauptzielorgan ist der Muskel.

• Stimulierung des Glykogenabbaus und Hemmung der Glykogensynthese (Leber, Muskel)

• Hemmung der Glykolyse und Stimulierung der Gluconeogenese (Leber)

• Hemmung der Fettsäuresynthese und Mobilisierung von Triacylglycerinen (Fettgewebe)

Cortisol: Produziert in der Nebennierenrinde; V.a. genomische Wirkungen (langsam)

• Förderung die Gluconeogenese

• Stimulierung der Glykogensynthese

• Förderung des Fett- und Proteinabbaus

Glucose aus der Nahrung wird an der luminalen Seite durch sekundär aktiven, Na+-abhängigen Transport in die Epithelzellen von Intestinaltrakt und Nieren importiert. Aus der Blutbahn kann sie durch erleichterte Diffusion mittels Glucosetransportern aufgenommen werden (GLUT).

GLUT sind Transmembranproteine aus 12 Transmembranhelices, welche einen Kanal bilden.

GLUT wird nicht passiv durchlaufen; er kann unterschiedliche Konformationen einnehmen. Es findet sich ein hyperbolischer Zusammenhang zwischen Glucosekonzentration und der Geschwindigketi der Glucoseaufnahme.

Es finden sich verschieden Isoformen Von GLUT; je nach Gewebe kommen unterschiedliche Formen vor. Vor allem die Unterschiede zwischen GLUT-2 (Leberzellen, β-Zellen im Pankreas, Epithelzellen in Nieren und Intestinaltrakt) und GLUT-4 (Skelett- und Herzmuskeln, Fettgewebe) sind wichtig.

GLUT-2 wird in Leberzellen, β-Zellen im Pankreas sowie Epithelzellen in Nieren und Intestinaltrakt exprimiert. Bei normale Glucosekonzentration ist seine Kapazität bei weitem nicht ausgeschöpft; GLUT-2 kann auch zum schnellen Export von Glucose verwendet werden. Synthese und Lokalisation des GLUT-2 Transporters sind nicht regulierbar!

GLUT-4 wird in Muskelzellen und Adipozyten exprimiert; der Kt-Wert (Konzentration, bei der 0.5 Vmax erreicht ist) für GLUT-4 ist im Bereich der physiologischen konzentrationen; Zudem ist GLUT-4 einer Regulation durch Insulin unterworfen: Der Glucoseumsatz im Muskel steigt von 20% des Gesamtumsatzes des Körpers (wenig Insulin) bis zu 90% bei Insulinausschüttung. Insulin verursacht eine Umlagerung der GLUT-4 von intrazellulären Vesikeln auf die Zellmembran (reversibel) (Abbildung 31) und eine Steigerung der GLUT-4 Synthese.

Die Konzentration von Glucose-6-phosphat bestimmt darüber, welcher (von Glucose ausgehende) Stoffwechselweg vorherrschend abläuft.

Glucose wird mittels GLUT-4 in die Zelle transportiert und dort von der Hexokinase II zu Glucose-6-phosphat Phosphoryliert. G6P ist der Ausgangspunkt zur Glykogensynthese, für den Abbau zu Pyruvat, den Abbau über den PPW oder zur Synthese komplexer Kohlenhydrate.

Insulin fördert dabei Aufnahme und Phosphorylierung von Glucose (Abbildung 32) mittels:

• Induktion der Genexpression von GLUT-4 und Hexokinase II

• Translokation von GLUT-4 in die Plasmamembran

G6P hat selbst allosterisch regulierende Effekte (Abbildung 32):

• Allosterische Inhibition der Hexokinase II

• Förderung der Glykogensynthese durch

  • Aktivierung der Posphopproteinphosphatase 1 PP1

  • Induktion der inaktiven Form der Glykogen-Phosphorylase

Hexokinase II katalysiert bei physiologischen Glucosekonzentrationen die phosphorylierung von Glucose nahe Vmax. Zudem besitzen Muskel-und Fettgewebe keine Glucose-6-phosphatase (Spaltet G6P in Glucose und Phosphat); somit ist der Eintritt von Glucose in diese Zellen irreversibel. Im Muskel muss die Glucose zur Glykogensynthese oder Glykolyse verwendet werden. 

In der Leber ist der Kohlenhydratstoffwechsel komplizierter; Deshalb ist ist die G6P-Konzentration einer komplizierten Regulation unterworfen:

• Glucose wird durch GLUT-2 importiert (insulinunabhängig)

• in der Leber wird Hexokinase IV (Glucokinase) exprimiert; bei physiologischer Glucosekonzentration arbeitet sie nicht bei Vmax. Somit ist die Geschwindigkeit der Phosphoryliereung von Glucose zu G6P direkt, durch den Glucosespiegel, reguliert (Abbildung 33).

• Glucokinase wird durch G6P nicht inhibiert (im Gegensatz zur Hexokinase)

• Bei niedriger Glucosekonzentration bildet die Glucokinase einen Komplex mit dem Glucokinase-Regulatorprotein (GKRP); dieser Komplex wird in den Zellkern transportiert. Glucose interferiert mit der Stabilität des komplexes: Hohe Glucosekonzentration bewirkt Auflösung des Komplexes

• Die Enzymmenge der Glucokinase ist Insulinabhängig (mehr Insulin → mehr Glucokinase)

• G6P stimuliert die Glykogensynthese

• G6P kann durch Glucose-6-Phosphatase in Glucose und Pa gespalten werden (Dazu muss Glucose vorübergehen ins ER aufgenommen werden)

Je nach Stoffwechselsituation kommen unterschiedliche der genannten Mechanismen zum Zug. Wichtig ist, das Glykolyse und Gluconeogenese nicht gleichzeitig ablaufen (machte energetisch keinen Sinn).

Stoffwechselsituation: Viel Glucose

• Insulinspiegel steigt an
  → Aktivierung der Glykogensynthase
  → Aktivierung der Glykogensynthese
  → Hemmung der Glucose-6-Phosphatase (auch durch Glucose)

• Förderung der Glucokinaseaktivität
  → Steigerung der G6P Konzentration

→ Aufbau von Glucosespeicher und Verwendung von Glucose zum Energiegewinn

Stoffwechselsituation: Wenig Glucose

• Insulinspiegel sinkt
  → Inaktivierung der Glucokinase
  → Aufhebung der Hemmung der Glucose-6-Phopaphatase (auch Aufgrund tiefen Glucosespiegels)

• Verlangsamung der Glykogensynthese
  → G6P wird bevorzugt gespalten und ins Blut abgegeben  

Zur gegenläufigen Steuerung von Glykolyse und Gluconeogenese tragen verschiedene Regulationsmechanismen bei:

• Änderung der Menge an Schlüsselenzymen

• Änderung der Aktivität vorhandener Enzyme (allosterische Effekte/ kovalente Modifikationen)

Wie man in Tabelle 2 links erkennt, steigern Insulin und Glucose die Genexpression der Schlüsselenzyme der Glykolyse.  

sB

Die Insulinabhängige Induktion von glykolytischen Enzymen wird durch SREBP-1c (Sterol Response Element Binding Protein 1c) vermittelt (ein Transkriptionsfaktor); Seine Synthese wird durch Insulin stimuliert und durch Glucagon gehemmt. Für die Aktivierung von SREBP-1c sind folgende Schritte nötig (Abbildung 37):

1. Für den Transport vom Er zum Golgi muss SREBP-1c einen Komplex mit SCAP (SREBP Cleavage-Activating Protein) bilden, welcher, im ER, zusätzlich mit Insig (Insulin-Induced Gene Protein) assoziert ist. Insulin bewirkt, dass Insig abdissoziert, wodurch der Koomplex in den Golgi transportiert werden kann

2. Eine erste Proteolytiesche Spaltung erfolgt (im Golgi) durch S1P (Site 1 Protease)

3.  

   2P katalysiert eine zweite proteolytische Spaltung (auch im Golgi); S2P spaltet innerhalb der Membran nahe der N-terminalen Domäne. Die Abgeschnittene Domäne bildet ein Homodimer und kann so in den Zellkern gelangen.

4. Im Zellkern bindet das aktive SREBP-1c an die SRE-1 Bindungsstelle (Sterol-Regulatory-Element-1); SRE-1 ist eine Sequenz in der Promotor Region der durch Insulin transkriptionell regulierten gene. Dadurch wird die Transkription des betreffenden Gens aktiviert.

Mitglieder der SREBP Familie spielen eine Rolle in der transkriprionellen Regulation von diversen Genen die für Stoffwechselenzyme codieren.

ChREBP (engl. Carbohydrate Response Element Binding Protein; ein Trnksriptiosfaktor) induziert die Transkription der Gene, die PFK-1, PFK-2/FPBase-2 und Pyruvatkinase kodieren. Inaktiv liegt ChREBP zweifach phosphoryliert im Cytosol. Nach einer ersten dephosphorylierung (durch Phosphoproteinphosphatase 2A, PP-2A) gelang ChREBP in den Zellkern, wo es erneut dephosphoryliert wird (durch nukleäre PP-2A). Anschliessend bildet ChREBP einen Komplex mit Mlx (Max-like Protein X). Dieser Komplex erkennt ChoRE (Carbohydrate-Response-Element) im Promotorbereich der entsprechenden Gene.

PP-2A ist allosterisch durch Xylulose-5-Phosphat kontrolliert, ein Zwischenprodukt des PPW. Da der PPW bei ausreichendem Glucoseangebot läuft, wird bei genügend Glucose die Glykolyse heraufreguliert. Die Inaktiveirung von ChREBP (durch hosphorylierung) geschieht durch Proteinkinase A PKA (unter Kontrolle von cAMP-Signalmechanismen) (Abbildung 38).

Abbildung 39 zeigt die Wirkung von Glucose und Insulin bei der Hochregulation von PFK-1, PFK-2/FBPase-2 und Pyruvatkinase, was zur Beschleunigung der Glykolyse führt: Glucose induziert via Anhäufung von Xylulose-5-Phosphat die Aktivierung von ChREBP; Insulin stimuliert über die proteolytische Spaltung des Prekursor Proteins die Bildung von aktivem SREBP-1c. Die Erkennungsstellen (Response Elements) für ChRBP und SREBP-1c sind nacheinander in der Promotor-Region der betreffenden Gene lokalisiert; Die Transkription der erwähnten Enzyme wird induziert.

Die Geschwindigkeit der Gluconeogenese wird reguliert über Induktion der Expression ihrer Schlüsselenzyme; die Transkription entsprechender Gene wird durch cAMP stimuliert. cAMP wird von der Adenylylcyclase, unter Einwirkung von G-Protein sysnthetisiert. An G-Protein gekoppelte Rezeptoren wiederum binden Glucagon und Adrenalin. cAMP aktiviert PKA; aktivierte PKA wird in den Zellkern transportiert, wo es CREB (-AMP Response Element Binding Protein) phosphoryliert, welches seinerseits CRE (-AMP Response Element) im Promotor des Gens bindet. Dies führt zur Aktivierung der Transkription (Abbildung 40).

Auch Glucocorticoide induzieren die Enzyme der Gluconeogenese (über einen anderen Weg).

Insulin/Glucose und Glucagon/Adrenalin wirken antagonistisch

Insulin und Glucose treiben die transkriptionelle Induktion der glykolytischen Enzyme; Glucagon und Adrenalin hemmen sie.

Glykolyse und Gluconeogenese sind einer koordinierten Gegenläufigen Regulation durch Insulin, Glucose, Glucagon und Adrenalin unterworfen 

Insulin hebt die durch Glucagon/Adrenalin ausgelöste Regulation eines Gens auf. cAMP aktiviert PKA, die CREB phosphoryliert. Bindung von Insulin an seinen Rezeptor bringt eine Kaskade von Reaktionen in Gang. Im letzten Schritt spaltet eine Phosphodiesterase cAMP; es entsteht AMP. PKA wird nicht aktiviert und CREB wird nicht phosphoryliert.