Kohlenhydrate - Ab- und Aufbauwege PDF - PB1 EuD24

Kohlenhydrate - Ab- und Aufbauwege PB1 EuD24 Dr. Steffen Theobald ▶ Bachelorstudiengang Berner Fachhochschule | Ernährung Haute écoleund t Diätetik bernoise | Bern University of Applied Sciences...

Kohlenhydrate - Ab- und Aufbauwege PB1 EuD24 Dr. Steffen Theobald ▶ Bachelorstudiengang Berner Fachhochschule | Ernährung Haute écoleund t Diätetik bernoise | Bern University of Applied Sciences spécialisée Lernziele ▶ Die Studierenden ▶ können den Pentosephosphatweg biochemisch korrekt und detailliert beschreiben und dessen Aufgaben im Stoffwechsel benennen ▶ können die Glycolyse biochemisch korrekt und detailliert beschreiben und kennen Organe, die Glycolyse betreiben ▶ kennen die Energiebilanz beim aeroben und anaeroben Abbau von Glucose ▶ benennen Regulationsmöglichkeiten der Glycolyse ▶ können den weiteren Weg des Pyruvats im Stoffwechsel beschreiben ▶ können die Gluconeogenese und deren Sinn biochemisch korrekt und detailliert beschreiben und kennen Organe, die Glycolyse betreiben ▶ Hinweis: Schlüsselenzyme und wichtige Moleküle in Stoffwechselwegen werden beim ersten Auftreten mit einem gelben «P» markiert, danach jedoch nicht zwingend wiederholt gekennzeichnet. Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 2 Abbau von Glucose - via Pentosephosphatweg Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 3 Stoffwechselwege der Glucose (Abbau/ Speicherung) Glycogen Speicherung Glucose-6-Phosphat Anaerober Glycolyse Abbau (aerober Abbau) Pentose- phosphatweg via Pyruvat Pyruvat, ATP, zum Lactat NADH/(H+) Ribose NADPH/H+ Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 4  Der Pentosephosphatweg – Übersicht und Ziele ▶ Bildung von (energiereichen) Reduktionsäquivalenten* (NADPH/H+), z.B. für die Fettsäuresynthese ▶ Bildung von Ribose-5-Phosphat für die Nukleotidsynthese (RNA, DNA) ▶ Anschluss an die Glycolyse Mark‘s Basic Medical Biochemistry 2009 Wolters Kluwer/LWW *Reduktionsäquivalente= „Energiespeicher“ in Form von Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences Bindungsenergie von Elektronen, Elektronen in Wasserstoffatomen (enthalten je ein e -), oder Hydridionen (H-) (enthalten zwei e-) 5    Was ist NADP+ bzw. NADPH/H+? Nicotin(säure)amid-adenin-dinucleotidphosphat ▶ Besteht aus ▶ Nicotinsäureamid = eine Form des Niacin (=„Vitamin B3“) ▶ Adenin= eine DNA-Base ▶ Ribose plus Ribose-2-Phosphat ▶ Verknüpfung via 2 Phosphatresten ▸ Ist ein Überträger von Elektronen und Wasserstoff ▸ Was bedeutet das? Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 6 NADP+ (oxidierte Form) NADP+/NADPH/H+ als Wasserstoff- und Elektronentransporter und Energiespeicher 2 + = oxidierte Form (energieärmer) =Energieverbrauch + H+ Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 7 =Energiegewinn = reduzierte Form (energiereicher) Was machen NADP+ bzw. NADPH/H+?  ▸ NADPH/H+ ▸ dient als Reduktionsmittel (Wasserstoff- und Elektronenspender) bei der Fettsäuresynthese ▸ entsteht aus NADP+ bei der Oxidation von Glc-6-Phosphat zu 6-Phospho-gluconolacton im PP-Weg ▸ ist ein Coenzym bei der Rückgewinnung von oxidiertem Glutathion in den Erythrocyten (Glutathion ist ein „Radikalfänger“) ▸ wird manchmal auch (falsch) als NADPH2 bezeichnet Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences    Was ist NAD+ bzw. NADH/H+? Nicotin(säure)amid-adenin-dinucleotid ▶ Besteht aus ▶ Nicotinsäureamid = Amid von Niacin (=„Vitamin B3“) ▶ Adenin= eine Purinbase ▶ 2x Ribose ▶ Verknüpfung via 2 Phosphatresten ▸ Ist ein Überträger von Elektronen und Wasserstoff ▸ NADH/H+ ▸ entsteht beim Abbau von Substraten in der Glykolyse und im Citratzyklus ▸ wird in der Atmungskette oxidiert zu NAD+, um ATP zu erzeugen NAD+ (oxidierte Form) ▸ Wird manchmal auch (falsch) als NADH2 bezeichnet Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 9 Der Pentosephosphatweg – oxidativer Teil /1 irreversibel Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 10 Der Pentosephosphatweg – oxidativer Teil /2 irreversibel 1. Oxidation der C3- OH-Gruppe zum Keton 2. Abspaltung von CO2 am C1-Atom  Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 11 d.h. RNA und DNA Pentosephosphatweg – nichtoxidativer Teil reversibel ▶ Ziel ▶ Bereitstellen von „selteneren“ Zuckerarten für den Stoffwechsel ▶ Erythrose-4-P ▶ Xylulose-5-P ▶ Fructose-6-P ▶ Sedoheptulose-7-P Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 12 Energiegewinnung aus Glucose – die Glycolyse Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 13  Horn F (2015): Biochemie des Menschen, 6. Aufl., S. 115, Stuttgart:Thieme Die Glycolyse - Übersicht Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 14 Und damit geht´s wieder los – Phosphorylierung von Glukose =Energieverbrauch =Energiegewinn Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 15 Umbau von Glukose-6-Phosphat     Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 16  Aufspaltung in 2 Triosen   = Dihydroxiaceton-Phosphat* Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 17 = *Dihydroxiaceton-Phosphat (die OH-Gruppe am C-3-Atom ist mit einer Phosphorsäure verestert) Energie-Rückgewinnung: Teil 1 Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 18  Energie-Rückgewinnung: Teil 2   *  * CAVE: Der Schritt von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat ist irreversibel, deshalb kann DIREKT aus Pyruvat keine Glucose aufgebaut werden, sondern nur über den Schritt Pyruvat -> Oxalacetat ->. Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 19 Energiebilanz der Glycolyse bis zum Pyruvat Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 20 Regulationsmechanismen der Glycolyse Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 21 Regulationsmöglichkeiten der Enzymaktivität ▶ Reguliert werden meist die Schlüsselenzyme in der Glycolyse, d.h. ▶ Hexokinase (Glucose → Glucose-6-phosphat) ▶ Phosphofructokinase (Fructose-6-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat) ▶ Pyruvatkinase (Phosphoenolpyruvat → Pyruvat) ▶ durch Substrate, die gerade gebildet wurden z.B. Hemmung der Hexokinase durch das Produkt Glc-6-P (negative Rückkopplung) ▶ durch andere Enzyme ▶ durch Hormone (Insulin, Glucagon) Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 22  Horn F (2015): Biochemie des Menschen, 6. Aufl., S. 115, Stuttgart:Thieme Inhibitor Schlüsselenzym Inhibitor Aktivator Die Glycolyse Schlüsselenzym - Schlüsselenzyme - Aktivatoren - Inhibitoren Schlüsselenzym Aktivator Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 23 Inhibitor Hormonelle Regulation der Enzymmengen in der Leber ▶ Insulin erhöht die Transkription der ▶ Glukokinase ▶ Phosphofruktokinase ▶ Pyruvatkinase ▶ Glukagon verringert die Transkription der ▶ Glukokinase ▶ Phosphofruktokinase ▶ Pyruvatkinase Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 24 Der weitere Weg des Pyruvats Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 25 Aerob oder anaerob, das ist hier die Frage… Schlüsselenzym  Pyruvat- Dehydrogenase    Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 26 Die Orte des Pyruvatabbaus ▶ Aerober Abbau im ▶ Anaerober Abbau im Cytosol Mitochondrium Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 27 Aerober Abbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA - irreversibel Pyruvat- Dehydrogenase PDH Citratzyklus ▶ ➔ CAVE: Aus Acetyl-CoA (aus Glucose oder Fettsäuren) im Mitochondrium kann nie wieder Glucose werden ▶ Substrate für die Gluconeogenese: siehe Folie 35 Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 28 Wann wird Pyruvat aerob abgebaut? ▶ Wenn Mitochondrien vorhanden sind (Ort der Reaktion) ▶ Erythrocyten haben keine Mitochondrien ▶ Wenn genügend Sauerstoff für die anschliessende Atmungskette vorhanden ist ▶ Wenn genügend NAD+ vorhanden ist ▶ wird gebraucht für die Reaktion von Pyruvat zu Acetyl-CoA ▶ Wird durch Abgabe der 2 H zurückgewonnen in der Atmungskette ▶ Wenn genügend Pyruvat-Dehydrogenase gebildet werden kann, ein Multienzymkomplex, an dem DREI B-Vitamine beteiligt sind ▶ Thiamin (für die oxidative Decarboxylierungsreaktion) ▶ Riboflavin (als FAD+) =Verbindung aus ADP und Riboflavin ▶ Niacin (als NAD+) Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 29 Anaerober Abbau von Pyruvat zu Lactat - reversibel Lactat- Dehydrogenase LDH Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 30 Wann wird Pyruvat anaerob abgebaut? ▶ Wenn keine Mitochondrien vorhanden sind ▶ Das betrifft die Erythrocyten, brauchen nicht viel Energie ▶ Wenn Sauerstoffmangel im Muskel herrscht ▶ Muskel schaltet auf anaeroben Abbau um, um NAD+ für die aerobe Glycolyse zu gewinnen, d.h. die Umkehrung dieser Reaktion: ▶ …und den weiteren Abbau zum Acetyl-CoA Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 31 Was passiert mit dem Lactat? ▶ Lactat wird ans Blut abgegeben ▶ pH-Wert sinkt, → im Extremfall Lactacidose ▶ Rückreaktion von Lactat zu Pyruvat (v.a. in Leber und Herz), dann weiter zum Acetyl-CoA, oder ▶ Recycling im Cori-Zyklus zum Aufbau von Glucose via Pyruvat Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 32 Der Cori-Zyklus – ein Weg zum Lactatrecycling Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 33 Energiebilanz bei aerobem vs. anaerobem Abbau der Glucose PDH= Pyruvatdehydrogenase Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 34 Die Gluconeogenese Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 35 Warum gibt es die Gluconeogenese? Wer betreibt Gluconeogenese? ▶ Gehirn und Erythrocyten brauchen auch in Hungerzeiten zwingend Glucose ▶ Erythrocyten bauen Glucose ab bis zum Lactat – nur wohin mit dem überschüssigen Lactat? ▶ Auch Glycerol (aus dem Fettabbau) ist ein „Abfallprodukt“, das verwertet werden kann ▶ Hauptbetreiber sind ▶ LEBER zur Aufrechterhaltung des Blutglucosespiegels ▶ Nierenrinde und Darmepithel ▶ CAVE: die Gluconeogenese kostet Energie (diese kommt primär aus der Fettsäureoxidation in der Leber), und zwar noch mehr, als die Glycolyse freisetzt Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 36 Was sind die Substrate für die Gluconeogenese?     Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 37 Gluconeogenese = Umkehr der Glycolyse? ▶ Nur teilweise, da drei Schritte der Glycolyse irreversibel sind: 1. Phosphoenolpyruvat → Pyruvat 2. Fructose-6-Phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat 3. Glucose → Glucose-6-Phosphat Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 38  Horn F (2015): Biochemie des Menschen, 6. Aufl., S. 134, Stuttgart:Thieme Die Gluconeogenese - Übersicht Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 39 Vom Pyruvat (C3) zum Oxalacetat (C4)    ▶ Biotin (ein B-Vitamin) spendet die Carboxyl- gruppe für die Reaktion vom Pyruvat zum Oxalacetat Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 40 Oxalacetat kann nicht durch die innere Mitochondrienmembran ▶ Lösung: Der Malat-Shuttle = Umwandlung in Malat und Rückumwandlung in Oxalacetat Gleichzeitig Transport des NADH/H+ via Malat aus dem Mitochondrium ins Cytosol, wo es gebraucht wird  Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 41  + CO2 (PEP-CK)   GTP= Guanosintriphosphat Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 42 Ein Stück weit Glycolyse retour… …bis zum Fructose-1,6-bisphosphat 2x Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 43 Frc-1,6-Bisphosphat zu Frc-6-P und Isomerisierung zu Glc-6-P CAVE: Hier entsteht ein anorganisches Phosphation P , statt ATP a (vergleiche Hinreaktion der Glycolyse), deshalb ist die Reaktion irreversibel    Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 44 Aus Glc-6-Phosphat wird freie Glucose ▶ Dies geschieht im endoplasmatischen Retikulum  CAVE: Hier entsteht Phosphat Pa, statt ATP (vergleiche Hinreaktion der Glycolyse), deshalb irreversibel ▶ Glucose wird dann ins Blut abgegeben und zu den bedürftigen Geweben transportiert Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 45  Schlüsselenzym Aktivator Die Gluconeogenese - Schlüsselenzyme - Aktivatoren Schlüsselenzym - Inhibitoren Inhibitor Schlüsselenzym Schlüsselenzym Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 46 Horn F (2015): Biochemie des Menschen, 6. Aufl., S. 134, Stuttgart:Thieme Die Verbindungen zwischen den drei Glucose- Stoffwechselwegen Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 47