Kohlenhydrate Funktionen PDF

. Kohlenhydrate Funktionen: Nahrungs/Reservestoff, Energielieferant/speicher, Bestandteile der Nukleinsäuren, Stütz- und Gerüstsubstanz (Proteoglykane und Glykosaminoglykane), Spezifische Gruppen der Glykolipide (Cerebroside, Ganglioside = ein/mehrere Zuckerrest/e am Sphingosin), spez. Gruppen der G...

. Kohlenhydrate Funktionen: Nahrungs/Reservestoff, Energielieferant/speicher, Bestandteile der Nukleinsäuren, Stütz- und Gerüstsubstanz (Proteoglykane und Glykosaminoglykane), Spezifische Gruppen der Glykolipide (Cerebroside, Ganglioside = ein/mehrere Zuckerrest/e am Sphingosin), spez. Gruppen der Glykoproteine (Zellerkennung: Glykokalix, Membranproteine, dient Stabilität und Faltung von Proteinen, Blutgruppenantigene) —> CnH2nOn > C-kette mit mind. 3C-Atomen > mehrwertiger Alkohol > eine Carbonylgruppe (Aldehyd oder Keton) Bei der Oxidation eines primären Alkohols entsteht ein Aldehyd. (—> Aldose) —> Carbonsäure Bei der Oxidation eines sekundären Alkohols entsteht ein Keton. (—> Ketose) zB Hexosen (6C) = Glucose (Aldohexose) und Fructose (Ketohexose). Da sie die gleiche Summenformel, jedoch unterschiedliche Strukturformeln aufweisen, sind sie Konstitutionsisomere. -> Keto-Enol-Tautomerie: G6P wird mit Hexosephosphatisomerase zu F6P (Zwischenstufe: Endiol) -> Halbacetal / Halbketalbildung Zucker liegen zu 99% in der Ringform (Furanose/Pyranose) vor. HA: Alkohol + Aldehyd HK: Alkohol + Keton 1. Isomerie a) Konstitutionsisomere —> gleiche Summenfomrel, verschiedene chemische Gruppen —> Glucose und Fructose b) Stereoisomere —> gleiche chemische Gruppe —> untersch. Anordnung der chem. Gruppe 1. Enantiomere (Spiegelbild-Isomerie) — Stellung der OH-Gruppen an Chiralitätszentren > D/L (siehe Fischerprojektion 2. Diastereomere > weisen mehrere Chiralitätszentren auf, nicht wie Bild und Spiegelbild > unterscheiden sich nur an einem oder einigen Chiralitätszentren > Arabinose / Xylose 3. Epimere > sind Diastereomere, die sich nur in einem Zentrum unterscheiden > D-Galaktose / D- Glucose/ D-Mannose 4. Anomere (Spezialform der Epimere) — Stellung der OH-Gruppen zur Ringebene > oben = beta (64%) > unten = alpha (36%) Kettenform (in Fischer-Proj.) Ringform (in Haworth-Proj) OH-Gruppe rechts OH unten OH links OH oben 53 2. Glykosidische Bindung O- Glykoside N-Glykoside (Verknüpfung über N wie zB bei Adenosin) Anomeres C-Atom reagiert mit OH- Gruppe eines zweiten Saccharids unter Wasserabspaltung —> O-glykosidische Bindung - Saccharose = Glucose + Fructose (alpha-1-beta-2-glyk.) - Lactose = Galaktose + Glukose (beta-1,4-glyk.) - Maltose = Glucose + Glucose (alpha-1,4-glyk.) - Glykogen = Glucose —> alpha-1,4 bzw. alpha 1,6 - Stärke = Amylose (25%) + Amylopectin (75%) — wie Glykogen - Cellulose = Glucose —> beta-1,4-glyk. Enzyme der KH-Verdauung: Glykosidasen = Hydrolasen KH werden erst am Bürstensaum der Enterozyten in monomere Zucker gespalten und dann mittels Transporter in die Enterozyten und weiter ins Blut aufgenommen. Polysaccharide > Homoglycane - Polysaccharide mit einer Art von Monosaccharid- Baustein > Heteroglycane - unterschiedliche Monosaccharide > Proteoglycane - Proteine mit KH-Teil, der größer ist als Proteinanteil, Komponente der extrazellulären Matrix, heterogene Gruppe aus Proteinen und GAGs > GAG, Glykosaminoglykane - lange KH-Ketten aus sich wiederholenden Disacchariden (Heparin) Hauptkomponente der extrazellulären Matrix, hohe Wasserbindungskapazität bestehen aus Uronsäure und einem Aminozucker 4 Hauptklassen: Keratansulfat, Chondroitinsulfate, Heparansulfat, Hyluronat > Glykoproteine - Proteine mit einem KH- Anteil der kleiner ist als der Proteinanteil. 3. Resorption der Monosaccharide Aufnahme in die Enterozyten & Abgabe ins Blut über GLUT 2: INSULIN-UNABHÄNGIG 54 Abgabe ins Blut: Glucose und Galaktose und Fructose KLINIK: Lactose-Intoleranz Mangel an Lactase führt zum Verbleib der Lactose im Darm Lactose (40g/L Milch) —> erhöhter osmotischer Druck im Darm -> Wasser Retention -> Durchfälle + Bauchbeschwerden —> Anaerob: Bakterien im Dickdarm -> Gase (Co2, H2), Milchsäure + Essigsäure —> Steigerung der Peristaltik —> Durchfälle und Bauchbeschwerden KLINIK: Mukopolysaccharidosen Krankheiten bei denen der Abbau von GAGs (Proteoglykanen) gestört ist. zB Pfaundler-Hurler-Syndrom —> Mangel an lysosomalen Abbauenzymen —> Ablagerung der GAGs in den Nervenzellen und im Weichgewebe des Gesichts —> Wachstumsdefekte und geistige Retardierung, vergrößerter Schädel und veränderte Gesichtszüge 13. Glykolyse 1. Coenzyme - sind organische Verbindungen (keine Proteine) - keine katalytische Aktivität - gehen aus der Reaktion unverändert hervor - übertragen Elektronen (Wasserstoff), chemische Gruppen oder Energie (ATP) - als Co-Substrate werden sie von mehreren verschiedenen Enzymen umgesetzt - sie können Stoffwechselreaktionen verknüpfen 2. Glykolyse - Einführung Bedeutung: - Erzeugung von Energie (ATP) - Lieferung von Bausteinen für die Biosynthese - Glykolyse kann in jeder Zelle ablaufen (und zwar im Zytosol) Aufnahme Transporter + Glucose und Galactose SGLT 1 = Sodium-Glucose Transporter 1 (apikal) - gegen Zucker-Konzentr.-Gradienten - Na+-gekoppelter Symport - sek. aktiv (ATP Verbrauch durch Na+-K+-ATPase) Fructose GLUT 5 = Glucose Transporter 5 (apikal) - erleichterte Diffusion - selektiver Transport für Fructose Abgabe ins Blut Transporter + Glucose Fructose Galaktose GLUT 2 = Glucose Transporter 2 (Basolateral) - entlang d. Konzentrationsgefälles - erleichterte Diffusion - passiver Transport - Weitertransport über Leberpfortader zur Leber 55 In der aeroben Glykolyse kommt es zur Oxidation von Glucose, aber ohne den Einsatz von Sauerstoff. Die Elektronen werden auf NAD+ übertragen. Edukte: Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P Produkte: 2 NADH/H+ + 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 H2O Die Glykolyse findet im Cytosol statt, die Produkte der aeroben Glykolyse werden in den Mitochondrien mit Sauerstooff oxidiert (Atmungskette und Citrat-zyklus) => NAD+ wird regeneriert. Reaktionsschritte der Glykolyse sind von O2 unabhängig. Die Unterscheidung aerob/anaerob betrifft nur den weiteren Stoffwechsel des Pyruvats und des NADHs. Bei der anaeroben Glykolyse kommt es zur Regeneration von NAD+ durch Bildung von Lactat. Die anaerobe Glykolyse findet in Abwesenheit von Sauerstoff oder von Mitochondrien statt (zB in Erythrozyten) Glucose-Aufnahme > durch Glucose Transporter (GLUT): > Aufnahme in die Hepatozyten durch GLUT 2 — insulin-unabhängig > In die Erythrozyten, Endothelzellen, Astrozyten durch GLUT 1 — insulin- unabhängig > In die Nervenzellen durch GLUT 3 — insulin-unabhängig Glucose-Affinitäten: - GLUT 1 und GLUT 3 => kleiner Km => hohe Affinität => arbeiten mit vmax. Konstanter Glucose-Fluss, diese Zellen bekommen die Glucose zuerst (bei niedriger Konzentration) - GLUT 2 => großer Km => Erhöhung der Aktivität bei hoher Glucose-Konzentration (Leber) Glucose-Aufnahme in die Muskel/Fettgewebszelle GLUT 4 - Aufnahme in Muskel/Fettgewebe — insulin-abhängig —> Insulin steigert die Bereitstellung des Glucose-Transporters GLUT 4 in der Plasmamembran —> Regulation erfolgt durch Insulin-stimulierte Exocytose von GLUT 4 Unterteilung der Glykolyse in Stufen: a) Vorbereitungsstufe: 2 ATP müssen zunächst investiert werden b) Ertragsstufe: 2 x 2 = 4 ATP werden ausgezahlt (Nettogewinn = 2 ATP) A) Hexose Teil 1) Physiologische Bedeutung der Hexokinase Reaktion: Glucosetransporter transportiert Glucose entsprechend ihres Konzentrationsgefälles Umwandlung zu G6P entzieht Glucose dem Gleichgewicht —> Konzentration der Glu intrazellulär bleibt stets geringer als extrazellulär 56 —> weiterer Glu-Einstrom in die Zelle —> G6P ist ein negativ geladenens Phosphat = schlecht membrangängig, kein Substrat des GLUT * Schlüsselenzym der Reaktion: Schrittmacherreaktion B) Triose-Teil > Aldolspaltung: Hexose —> 2 Triosen > Isomerisierung: Ketotriose —> Aldotriose C) Ertragsstufe I : 1. Substratketten-Phosphorylierung > Reaktion zum energiereichen Zwischenprodukt (Oxidation des GAPs) GAPDH - Glycerinaldehyd-3-phosphat- Dehydrogenase > energiereiches Zwischenprodukt: gemischtes Säureanhydrid > Transferreaktion: Übertragung des Phosphorylrests auf ADP PGK - Phosphoglyceratkinase EXKURS: 2,3-BPG-Bildung im Erythrozyten („BPG-Shunt“) —> Bohr-Effekt (Allosterischer Effektor) —> O2-Affinität sinkt bei Bindung —> in Gegenwart von 2,3-BPG hat die O2-Bindekurve des Hb ihre sigmoidale Form —> Rechtsverschiebung der Kurve - Erleichterte Freisetzung v. O2 im Gewebe —> dabei wird die PGK- (Phosphoglyceratkinase)-Reaktion umgangen es gehen 2 ATP/Glucose verloren —> Durch Isomerisierung wird das 1,3-BPG zu 2,3-BPG (Bisphosphoglceratmutase) 1. Hexokinase-Reaktion Phosphorylierung mit ATP Glucose + ATP —> Hexokinase* Mg2+ —> Glucose-6-Phosphat + ADP => Esterbindung 2. Hexosephosphat- Isomerase-Reaktion Isomerisierung einer Aldose zur Ketose Glucose-6-Phosphat —> 6er-Ring Hexosephosphatisomerase (HIM) (Endiol Zwischenstufe) —> Fructose-6-Phosphat 5er-Ring 3. Phosphofructokinase-Rk Phosphorylierung mit ATP Fructose-6- Phosphat (F6P) + ATP—> Phosphofructokinase* (PFK) Mg2+ Fructose-1,6-Bisphosphat (F1,6bP) + ADP 3. Aldolase-Reaktion Aldolase = Lyase Fructose-1,6-Bisphosphat —> Aldolase —> GAP D- Glycerinaldehydphosphat + DAP Dihydroxyacetonphosphat Glyceralphosphat + Glyceronphosphat 4. Triosephosphat- isomerase (TIM) Ketose —> Aldose DAP GAP Pro Glucose => 2 GAP 5. GAPDH- Reaktion Glycerinaldehyd-3- phosphat-Dehydrogenase Glycerinaldehyd-3- Phosphat + NAD+ + P —> GAPDH 1,3-Bisphosphoglycerat + NADH/H+ (entstandene Säureanhydridbindung ist energiereich) 6. Phosphoglyceratkinase PGK 1,3-Bisphosphoglycerat + 2 ADP PGK 3-Phosphoglycerat + 2 ATP 7. Phosphoglyceratmutase PGM 3-Phosphoglycerat —> PGM (Isomerisierung) —> 2-Phosphoglycerat 57 D) Ertragsstufe II: 2. Substratketten-Phosphorylierung > Reaktion zum energiereichen Zwischenprodukt: Dehydratation des 2-Phosphoglycerats — Enolase (EN) > energiereiches Zwischenprodukt > Transfer-Reaktion: Übertragung des Phosphorylrests auf ADP — Pyruvatkinase (PK) zu (8): Die treibende Kraft zur Bildung des PEP kommt wesentlich aus einer internen Redoxreaktion, bei der ein C-Atom oxidiert wird (C2 stärker oxidiert und C3 stärker reduziert) KLINK: Pyruvatkinase-Mangel > häufigster angeborener Defekt der Glykolyse > seltene Erkrankung > autosomal-rezessiv vererbter Mangel > verminderte PK-Aktivität —> es kommt zu ATP/Energiemangel in Erythrozyten —> Reduzierte Na-K-ATPase-Aktivität —> osmot. Wasserbewegungen —> Erythrozyten: Formänderung und Membrandefekte —> Hämolytische Anämie Schlüsselenzyme der Glykolyse: - HK: Hexokinase - PFK: Phosphofructokinase - PK: Pyruvatkinase Grundprinzip: Substratketten-Phosphorylierung zur ATP-Gewinnung Phosphorylgruppe > energiereiches Zwischenprodukt liefernde Reaktion > energiereiches ZP > Transferreaktion > energieärmeres Produkt 3. Anaerobe Glykolyse — Lactatgärung * auch Milchsäuregärung genannt (Lactat ist das Anion der Milchsäure) * ATP-Gewinnung durch Substratkettenphosphorylierung * durch Bildung von Lactat wird NAD+ regeneriert * das Enzym ist die LDH (Lactatdehydrogenase) Glucose —> (2 ATP) + 2 NADH/H+ + 2 Pyruvat 2 NADH/H+ + 2 Pyruvat —> 2 Lactat + 2 NAD+ 2 NAD+ —> Glucose Da in Abwesenheit von O2 (oder Mitochondrien NADH nicht über die Atmungskette reoxidiert werden kann, führt es bei der anaeroben Glykolyse zur Bildung von Lactat. 8. Enolase-Reaktion 2-Phosphoglycerat —> Enolase (Lyase) Wasserabspaltung und Ausbildung einer Doppelbindung —> Phosphoenolpyruvat + 2 H2O Ester —> Enolester 9. PyruvatkinaseReaktion PK Phosphoenolpyruvat + 2 ADP —> Pyruvatkinase* — >Pyruvat + 2 ATP 58 Lactat wird dann ins Blut abgegeben und reagiert weiter in der > Lactat-Oxidation > Gluconeogenese (nach Aufnahme in die Leber) Anaerobe Glykolyse stellt im Erythrozyten NADH für die Methämoglobin-Reduktase zur Verfügung (ca. 20% des produzierten NADH). —> Bei Vergiftungen mit MHb steigt der Anteil => Abgabe von nicht-umgewandelten Pyruvat im Blut Alkoholische Gärung: Pyruvat —> Pyruvatdecarboxylase entzieht CO2 —> Acetaldehyd Acetaldehyd + NADH—> Alkoholdehydrogenase —> Ethanol + NAD+ —> Somit kommt es auch bei der alkoholischen Gärung zur Regeneration von NAD+ (zB bei Hefe) 59 14. Gluconeogenese WH: Nettogleichung - Glykolyse (erster Teil der Glucose Oxidation, Bereitstellung von Energie und Bausteinen für die Biosynthese): Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi —> 2 Pyruvat + 2 NADH/H+ + 2 ATP + 2 H2O —> Einsatz von 2 ATP, um 4 ATP zu gewinnen (Nettogewinn = 2 ATP) —> Erzeugung von ATP durch Substratkettenphosphorylierung —> läuft in allen Zellen im Zytosol ab —> Sowohl aerobe als auch anaerobe Glykolyse nutzen keinen Sauerstoff. Der Unterschied besteht darin, dass bei der aeroben Glykolyse die Produkte (Pyruvat, NADH) final mit O2 umgesetzt werden, bei der anaeroben Glykolyse Pyruvat zu Lactat (unter der Regenerierung von NAD+) umgesetzt wird. 1. Gluconeogenese Def.: Als Gluconeogenese bezeichnet man die Bildung von Glucose aus Stoffwechselprodukten, die keine Kohlenhydrate sind. —> Zur Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels im Hungern/Fasten/körperlicher Betätigung —> Essentiell für die Funktion des ZNS und der Erythrozyten, die Glucose als Energielieferant benötigen Edukte: 2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 6 H2O + 2 NADH/H+ Produkte: Glucose + 2 GDP + 2 P + 4 ADP + 4 P + 2 NAD+ * Pyruvat ist nur eine Ausgangssubstrat der Gluconeogenese * Lactat ist der quantitativ wichtigste Ausgangsstoff der Gluconeogenese Für die Gluconeogenese muss Energie aufgewendet werden: 3 verschiedene Zellkompartimente sind an der Gluconeogenese beteiligt: Cytosol - Mitochondrien - ER 1. Leber 2. Niere (Nierenrinde) — Zellen des proximalen Tubulus 3. Darm — Epithelzellen des Dünndarms Lactat … entsteht über Pyruvat im Skelettmuskel bei Sauerstoffmangel … oder ständig aus den Erythrozyten Subtrat Herkunft ATP-Bedarf/ Glucose Lactat aus der anaeroben Glykolyse 6 glucogene Aminosäuren über Pyruvat oder Oxalacetat 6 4 Glycerin aus TAG (Fette) über Dihydroxyacetonphosphat 2 60 => Cori-Zyklus: Kreislauf der Bildung und des Abbaus von Laktat Netto wird beim Cori-Zyklus Energie (2 ATP, 2 GTP) verbraucht. Leber: Gluconeogenese - Leber-Glucose: Energiequelle f. Muskel - Muskel: anaerobe Glykolys Die Gluconeogenese ist eine großteils rückwärtslaufende Glykolyse, aber keine Umkehrung, da 3 Reaktionen der Glykolyse irreversibel sind und bei der Gluconeogenese umgangen werden müssen. Diese 3 Reaktionen (HK, PFK, PK) werden von den Schlüsselenzymen katalysiert und sind stark exergon (negative Gibbs Energie) = dh sie laufen nicht spontan in die umgekehrte Richtung. Die dazugehörigen Umgehungsreaktionen der Gluconeogenese sind ebenfalls stark exergon und daher ebenfalls nicht umkehrbar. —> Die Bildung von Glucose benötigt Energie. A) Pyruvat- Carboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase — Mitochondriale Matrix Diese Umgehungskreisläufe der PK-Reaktion kosten 2 * 2 = 4 ATP Biotin (Vitamin H) ist die prosthetische Gruppe der Pyruvat-Carboxylase —> Transfer v. CO2 auf Pyruvat (ATP-abhängig) Wieso wird der Weg über Oxalacetat gemacht? > Der Transport des Stoffes (Oxalacetat) ins Cytosol ist notwendig > Mitochondriale Innenmembran hat keinen Transporter für Oxalacetat > Über Oxalacetat wird das Substrat zunächst durch NADH/H+ reduziert (Malatdehydrogenase) —> zu Malat > Antiport: alpha Ketoglutarat > Malat wird zu Oxalacetat zurückoxidiert (NAD+) Glykolyse Gluconeogenese Hexokinase (HK) Glucose-6-Phosphatase Phosphofructokinase (PFK) Fruktose-1,6-Bisphosphatase Pyruvatkinase (PK) Pyruvat-Carboxylase Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) 61 B) Fructose-1,6- Bisphosphatase Umgehung der Phosphofructokinase Reaktion F-1.6-bP + H2O —> (Frucose-1,6- bisphosphatase) —> Frucotse-6-phosphat + Pi —> Abspaltung eines P unter Verbrauch von Wasser C) G6Phosphatase Umgehung der Hexokinase-Reaktion G6P + H2O —> (Glucose-6-Phosphatase) —> Glucose + P —> Abspaltung eines P unter Verbrauch von Wasser —> G6Phosphatase sind in der Membran das ER (im Lumen befindet sich Glu + P) —> Das G6Phosphatase-Gen wird nur in Leber, Nierenrinde und Dünndarmepithel exprimiert. Lokalisation der Gluconeogenese-Reaktionen: 1. Mitochondrien — Pyruvat-Carboxylase 2. Cytoplasma — andere Reaktionen 3. ER —Glucose-6- Phosphatase ATP-Verbrauch beim Schritt: - Pyruvat —> Oxalacetat (2 ATP) - Oxalacetat —> Phosphoenolpyruvat (2 ATP) - 3-Phosphoglycerat —> 1,3 Bisphosphoglycerat (2 ATP) 2. Gluconeogenese über glucogene AS (Alanin, …) Umwandlung von 2 Oxalacetat zu Glucose benötigt 4 ATP Umwandlung von 2 Pyruvat zu Glucose benötigt 6 ATP > Umwandlung in Pyruvat und und Oxalacetat durch Aminotransferasen a) Aspartat + alpha-Ketoglutarat —> (AST = Aspartat- Aminotransferase) —> Oxalacetat + Glutamat b) Alanin + alpha-Ketoglutarat —> (ALT = Alanin- Aminotransferase) —> Pyruvat + Glutamat Dann der gewohnte Weg: Pyruvat (+ Pyruvat-Carboxylase) —> Oxalacetat (+ Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase) —> PEP *hohe ALT-Aktivität deutet auf einen Leberschaden hin > bei Nahrungsmangel: Abbau von Proteinen; Alanin wird in der Leber zur Gluconeogenese verwendet. 62 A) Glucogene AS - können Glucose bilden - Abbau zu Pyruvat und Metabolite des Citratzyklus - AS, die im Fasten zur Gluconeogenese beitragen - werden über Pyruvat und Oxalacetat in die Gluconeogenese eingeschleust - alle außer Lysin, Leucin anaplerotische Reaktionen: Reaktionen, die dem Citratzyklus von außen neue Metabolite zuführen B) Ketogene AS - werden zu Acetyl-CoA abgebaut - können nicht zur Gluconeogenese beitragen - bilden beim Fasten Ketonkörper - rein ketogen: Lysin, Leucin 3. Gluconeogenese: Glycerin aus TAGs Über Dihydroxyacetonphosphat 1. TAG (Triacylglycerine) —> Lipolyse —> Fettsäuren + Glycerin 2. Glycerin + ATP —> (Glycerinkinase - GK) —> Glycerin-3-phosphat Glycerin-3-phosphat + NAD+ —> (alpha- Glycerophosphatdehydrogenase) —> Dihydroxyaceton-Phosphat + NADH/H+ 3. Dihydroxyacetonphosphat wird dann in die Gluconeogenese eingeschleust. Regulation - Glykolyse /Gluconeogenese Der Synthese (Gluconeogenese) und Abbauweg (Glykolyse) sollten niemals zusammen ablaufen. 63 —> Dies erfordert eine gegenläufige Regulation der Schlüsselenzyme Allosterische Regulation: Hexokinase und G6Phosphatase Glucose-6-Phosphat: - hemmt Hexokinase (Produkthemmung) + stimuliert die Glucose-6-Phosphatase - hemmt Leber-Isoenzym der Hexokinase (Glucokinase) nicht —> da die überschüssige Glucose in der Leber noch verarbeitet werden muss Phosphofructokinase 1: + aktivierend: Fructose-2,6-Bisphosphat -> vermittelt Feedforward-Regulation + aktivierend: AMP (Indikator niedriger Energieladung) - hemmend: ATP (Indikator hoher Energieladung) - hemmend: Citrat (spiegelt Zustand des Citratzyklus - Anwesenheit Biosynthesevorstufen und hoher Energieladung) Fructose-1,6-Bisphoshphatase + aktivierend: Citrat - hemmend: Fructose-2,6-Bisphosphat, AMP *PFK = Phosphofructokinase ist die wichtigste Schrittmacherreaktion der Glykolyse Der wichtigste allosterische Regulator in der Leber: Fructose-2,6- Bisphosphat - gebildet von der Phosphofructokinase 2 durch Phosphorylierung von Fructose-6- Phosphat - Glykolyse: F2,6-BP aktiviert PFK 1 - Gluconeogenese: F2,6-BP hemmt Fructose-1,6- Bisphosphatase - Insgesamt fördert F2,6-BP also den Abbau von Glucose Pyruvatkinase + aktivierend: Fructose-1,6-bisphosphat - hemmend: ATP, Alanin (Indikator von Anwesenheit von Biosynthesevorstufen) PEP-Carboxykinase / Pyruvat-Carboxylase 64 Eigenschaften v. Schlüsselenzymen: 1. Sie katalysieren geschwindigkeitsbestimmende Schritte 2. Sie katalysisieren irreversible (stark exergone) Reaktionen 3. Sie kontrollieren enzymbegrenzte Reaktionen: enzymatische Aktivität limitiert Substratfluss. 4. Sie kontrollieren häufig einen frühen Schritt im Stoffwechselweg und kontrollieren Verzweigungsstellen im Stoffwechsel. 5. Ihre Enzymaktivität wird allosterisch reguliert. + aktivierend: Acetyl-CoA (wichtigster Aktivator der Pyruvat-Carboxylase, Indikator für Anwesenheit von Biosynthesevorstufen/Energie - hemmend: ADP (Indikator niedriger Energieladung > Stimulation d. Glykolyse: wenn Energie benötigt wird (niedrige Energieladung; AMP hoch, ATP niedrig) > Stimulation d. Gluconeogenese: bei ausreichender Versorgung mit Biosynthesevorstufen und bei hoher Energieladung Hormonelle Regelung: a) Insulin: Ausschüttung bei Überangebot von Glucose im Blut (hemmt Gluconeogenese, fördert Glykolyse) b) Glucagon: Ausschüttung bei Glucosemangel im Blut (hemmt Glykolyse, stim. Gluconeogenese) 15. Pentosephosphatweg & Glykogenstoffwechsel A) Pentosephosphatweg 1. Funktionen d. Pentosephosphatwegs 1) Lieferung von Ribose-5-Phosphat —> Bausteine für Nukleotide (Zellteilung / Wachstum) — RNA, DNA, ATP, FAD… 2) Produktion von NADPH/H+ —> Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten - der Pentosephosphatweg geht von Glucose-6-Phosphat aus - der Pentosephosphatweg lässt sich in eine oxidativen und einen nicht-oxidativen Teil zerlegen - er findet im Zytosol statt. - er kann wieder in die Glykolyse / Gluconeogenese einmünden (F6P bzw GAP) 2. Oxidativer Teil Glucose-6-P + 2 NADP+ + H2O —> Ribose-5-P + 2 NADPH + 2 H+ + CO2 G6P —> (G6PDH) —> GL6P —> GL6PDH —> Rib5P —> Der oxidative Teil ist irreversibel. 1. G6P + H2O + NADP+ —> Gluconat-6-Phosphat + NADPH/H+ + H+ (G6P-Dehydrogenase + Lactonase) 2. G6P + NADP+ —> Ribulose-5-Phosphat + NADPH/H+ + CO2 (Gluconat-6-phosphat-DH; hier wird CO2 abgespalten = aus der Hexose wird eine Pentose) 3. Ribulose-5-Phosphat (Ketose) —> Ribose-5-Phosphat (eine Aldose) Pentose-5-P-Isomerase 65 Was unterscheidet NADPH von NADH? Welche Aufgaben hat NADPH? - beides sind Wasserstoff-übertragende Coenzyme - NADP+ = Nicotinamidadeninnukleotidphosphat - Unterschied: am C2-Atom der Ribose des Adenosin ist ein Phosphatrest NADPH/NADP+ ist ein Wasserstoffdonator im Anabolismus (Reduktionsmittel) NADPH : NADP+ = 100 : 1 NAD+/NADH ist ein Wasserstoffakzeptor im Katabolismus (Oxidationsmittel) NADH : NAD+ = 1 : 1000 NADPH-Bedarf: a) Reduktive Biosynthesen Pro C2-Einheit (Acetyl-CoA) werden 2 NADPH bei der Fettsäurebiosynthese benötigt Für die Synthese eines Cholesterins werden 14 NADPH benötigt. b) Hydroxylierungen/Entgiftungen zB Cytochrom P450-abhängige Biotransformationen > Entgiftung organischer Fremdstoffe > enzymatisch katalysierte Reaktionen, die Fremdstoffe wasserlöslich machen und so deren Sekretion erlauben c) Oxidationsschutz Schutz von körpereigenen Stoffen, wie Proteinen und Lipiden vor Oxidation zB bei Erythrozyten —> Glutathion (Glutaminsäure, Cystein, Glycin) 2 GSH GSSG durch Glutathion-Reduktase /-Peroxidase NADPH/H+ bzw. NADP+ wirken mit Glutathion-Reduktase / G6PDehydrogenase => Schutz vor H2O2 bzw von SH-Gruppen in Proteinen Zweite Quelle von NADPH: das Malatenzym -> Zellen im Mitochondrium können NADP+ mit HIlfe des Malat-Enzyms zu NADPH reduzieren -> Erythrozyten: sind auf den Pentosephosphatweg angewiesen, da sie anfällig gegenüber oxidativen Stress sind 66 3. Der Nicht-Oxidative Teil - ist reversibel - ist mit Glykolyse und Gluconeogenese verknüpft - Enzyme: Ribulose-5-P-Epimerase, Transketolase, Transaldolase —> 3 Ribose-5-Phosphat GAP + 2 Fructose-6- Phosphat PP-Weg: Anpassung an Bedarf Je nachdem ob mehr Ribose oder mehr NADPH/H+ benötigt wird, geschieht eine sehr flexible Anpassung an den Bedarf des Körpers. a) hoher Bedarf an R-5-P (f. ATP/DNA) Es läuft nur der nicht- oxidative, reversible Teil rückwärts ab, wodurch mehr R-5-P gebildet wird. 5 Glu-6-P + ATP —> 6 Ribose-5-P + ADP + H+ b) Bedarf an NADPH + AcetylCoA + ATP (zB für Fettsäuresynthese) Es laufen der oxidative und der nicht-oxidative Teil ab + Reaktionen der Glykolyse c) hoher Bedarf an NADPH (zB in den Erythrozyten) Der oxidative und der nicht-oxidative Teil + Reaktionen der Gluconeogenese laufen ab = „Recycling d. R-5-P 6 G6P + 12 NADP+ + 7 H2O —> 6 CO2 + 5 G6P + 12 NADPH + 12 H+ + P Allosterische Regulation Nur der oxidative Teil wird reguliert > Schrittmacherenzym: Glucose-6- Phosphat-Dehydrogenase - NADP+ — aktiviert - NADPH — hemmt KLINIK: G6PDH-Mangel - Weniger NADPH - mehr oxidiertes Glutathion (GSSG) Heinz-Körper - Hämolytische Anämie 67 B) Glykogen- Stoffwechsel Glykogen - Glucose-Speicher - alpha-1,4 (gerade Ketten) bzw. alpha-1,6 (Verzeweigungen)-glykosidisch verbunden - Glucosebilanz und Vorrat: 15 g freie Glucose, 250g Muskel-Glykogen, 150g Leber-Glykogen, Erys: 50 g/dl und Nervengewebe 150g/dl - Speicherung als Glykogen, da es osmotisch weniger aktiv ist (Schutz vor Zellplatzen), Aufrechterhalten des Konzentrationsgradienten zum Transport Stoffwechsel & Abbau - mit G6P verknüpft - findet im Cytosol statt - Glykogenpartikel besitzen bis zu 12 Verzweigungsstellen (schnellerer Abbau bei Bedarf) - Debranching Enzym (Glucantransferase): Übertragung der Seitenkette auf Hauptkette beim Abbau - Abbau: Hydrolytische Abspaltung der 1,6-verknüpften Glucose durch Glucosidaseaktivität —> Phosphorolyse d. 1,4-Bindung —> Glucose-1-Phosphat nicht Hydrolyse!! (Transferase da Spaltung mit Hilfe von Phosphat) — Enzym: Glykogen-Phosphorylase* *wird von Glucagon / Adrenalin stimuliert — > Glucose-1-P mit Phosphoglucomutase —> G6P —> weiterer Weg der Glykolyse —> G6P mit Glucose-6-Phosphatase* + H2O —> Glucose + HPO4 2- *nur in Leber vorhanden, nicht im Muskel Der Muskel spart sich somit einen Schritt und somit 1 ATP (HK-Reaktion) —> Ausbeute: 3 ATP —> da Synthese jedoch 2 ATP kostet; Langzeitbilanz: 1 ATP/Glucose-Einheit Die Leber „verschenkt“ 1 ATP —> Ausbeute: 1 ATP Glykogenphosphorylase kann nur 1,4-bindungen spalten. bei 4 Monomeren => Übertragung der Seitenkette auf die Hauptkette durch eine Glucantransferase (=Transferase-Aktivität des Debranching-Enzyms) Hydrolytische Abspaltung der 1,6-verknüpften Glucose durch eine Glukosidaseaktivität (des Debranching Enzyms) Die Glykogenphosphorylase kann nun die lange, entstandene Kette spalten. KLINIK: Glykogenspeicherkrankheit Typ 1 (Morbus von Gierke) - Nüchtern- Hypoglykämie (es kann keine Glucose aus Glykogen entstehen da die Glucose-6-phosphatase nicht aktiv ist. - Lebervergrößerung (und Niere) durch große Mengen an eingelagerten Glykogen - kompensatorisch: verstärkte Glykolyse und Fettstoffwechsel - Therapie: Diät von meist langsam resorbierbaren KH, um Blutglucosespiegel konstant zu halten KLINIK: Glykogenspeicherkrankheit: Typ V (Mc Ardle) 68 - Glykogensphosphorylase-Mangel im Muskel. Es kann Glykogen also nicht in G1P umgewandelt werden. - Anhäufung von Glykogen im Muskel - Rasche Muskelerschöüfung/Krämpfe wegen ATP-Mangel Synthese - Glykogenin wirkt als Primer. - Glykogensynthase kann nur Ketten mit mehr als 4 Glucoseresten verlängern - Glykogenin überträgt dann bis zu 8 Glucosereste auf einen Tyrosinrest - Aktivierung der Glucose als UDP-Glucose: PGM (Phosphoglucomutase) isomerisiert G6P zu G1P, G1P-UTPTransferase überträgt dann UTP (Uridintriphosphat aus ATP) auf die G1P - Glykogensynthase: Glucosereste werden schrittweise auf die wachsende Kette übertragen, wobei UDP abgespalten wird UDP-Glucose = aktivierte UridinDiPhosphat-Glucose ATP —> UTP —> Abspaltung von PP (Pyrophosphat) -Teile der wachsenden Hauptkette werden durch eine 1,4-1,6- Transglykosylase (Branching Enzyme) über 1,6-Bindungen als Zweige angesetzt