Zellen verwandeln Zucker in Energie

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1 Zellen verwandeln Zucker in Energie Kohlenhydrate sind äusserst wichtige Brennstofflieferanten. Pflanzen können Zucker selber herstellen (vgl. autotrophe Organismen); Tiere hingegen müssen Zucker (und Stärke) durch Verzehr anderer Organismen aufnehmen (vgl. heterotrophe Organismen). Der Prozess, wie aus Kohlenhydraten Energie gewonnen wird, ist in allen Organismen sehr ähnlich: Durch Oxidation von Zucker zu CO 2 und H 2 O wird die im Zucker gespeicherte chemische Bindungsenergie in eine Energieform umgewandelt, die von der Zelle genutzt werden kann. Schrittweise Oxidation von Zucker in einer Zelle: 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. 1

2 Verwertung von Kohlenhydraten Kohlenhydrate in der Nahrung Abbau Resorption Blutzucker (Glucose, weitere Monosaccharide) Verteilung an Gewebe Zucker im Gewebe (Glucose, Glycogen) Energiegewinnung (ATP-Bildung) 2

3 Strukturen wichtiger Kohlenhydrate Monosaccharide mit der allgemeinen Summenformel C n (H2O) n spielen im Energiestoffwechsel der Zelle eine entscheidende Rolle. Die folgenden Strukturen werden für die Behandlung des Kohlenhydratstoffwechsels als bekannt vorausgesetzt: Triosen: Glucose und ihre wichtigsten Epimere: 3

4 Strukturen wichtiger Kohlenhydrate (Forts.) Disaccharide: Saccharose, Lactose, Maltose Polysaccharide: Glycogen und Stärke 4

5 Verdauung von Kohlenhydraten Damit Kohlenhydrate resorbiert werden können, müssen sie zuerst in Monosaccharid-Einheiten zerlegt werden! Der Abbau von Glycogen und Stärke beginnt bereits im Speichel durch die Einwirkung einer -Amylase (Ptyalin) und wird im Darm fortgesetzt (durch Ausschüttung der Pankreas-Amylase). Die vollständige Spaltung der entstandenen Oligosaccharidbruchstücke sowie der in der Nahrung vorhandenen Disaccharide Lactose und Saccharose geschieht durch spezifische Enzyme (Disaccharidasen: Maltasen, Lactase, Saccharase) an den Mucosazellen. Pathobiochemie: Ein Mangel an Disaccharidasen vermindert die Resorption von Disacchariden und führt zu Diarrhoe (osmotischer Effekt durch Präsenz von Disacchariden im Darm). Die häufigste Form von Disaccharidase-Mangel ist der primäre Lactasemangel. 5

6 Resorption von Kohlenhydraten Monosaccharide werden durch spezifische Transportsysteme in die Zellen aufgenommen. Blut Darmzelle Bürstensaum- Darm membran Die Aufnahme von Glucose in die Darmzelle geschieht über einen sekundär aktiven Transport unter Ausnützung eines Natriumgradienten. Der Weitertransport ins Blut erfolgt dann durch erleichterte Diffusion mittels eines Glucosetransporters (GLUT1). Aufnahme der Glucose ins Gewebe: Nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit wird die Glucose dann in Abhängigkeit ihrer Konzentration im Blut von der Leber aufgenommen (GLUT2 Transporter). Je nach Bedarf wird sie dann gespeichert (-> Glycogen) oder via Blut an die anderen Gewebe abgegeben. Die Halbwertszeit von Glucose im Blut ist sehr kurz und beträgt nur etwa min. 6

7 Blutglucose Beobachtung: Die Konzentration der Glucose im Blut ist konstant und liegt zwischen mmol/l. Frage: Wie kann dieser Wert konstant gehalten werden, obschon die Nahrungszufuhr schubweise erfolgt? Antwort: Die Konstanz der Blutglucosekonzentration resultiert aus dem Gleichgewicht zwischen exogener Glucosezufuhr und endogener Glucoseproduktion. Exogene Quellen: Stärke; dazu Saccharose, Lactose Endogene Quellen: Glycogenabbau (Leber), Glucosesynthese (Leber) Frage: In welchen Geweben wird Glucose benötigt? Antwort: Das Nervengewebe, das Nierenmark und die Erythrozyten sind obligat auf die Zufuhr von Glucose angewiesen. Glucoseverbrauch: Nervengewebe: g/tag Nierenmark, Erythrozyten: ca. 40 g/tag Ansonsten wird Glucose zur Hauptsache in der Muskulatur, im Fettgewebe und in der Leber verstoffwechselt. 7

8 Regulation der Blutglucosekonzentration Zu einer Erhöhung des Blutglucosespiegels kommt es: - nach Zufuhr kohlenhydratreicher Nahrung, - durch eine Senkung des Glucoseverbrauchs. Zu einem Absinken der Glucosekonzentration im Blut kommt es: - bei Hunger, - durch einen gesteigerten Glucoseverbrauch. Zur Konstanthaltung der Blutglucosekonzentration verwendet der Organismus eine Reihe von Hormonen: Insulin, Glucagon, Adrenalin, Cortisol: mmol/l 10 Glucosurie (Ausscheidung von Glc in den Harn) Schwellenwert 9-11 mmol/l 8 6 Hyperglykämie 4 Normalbereich nüchtern mmol/l Hypoglykämie 2 Bewusstseinsverlust Coma 8

9 Die zentrale Stellung der Glucose Die Glucose ist eine zentrale Verbindung im Energiestoffwechsel in tierischen und pflanzlichen Zellen. 6) 4) 5) 2) 3) 1) 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) 9

10 Die Glycolyse Der Abbau der Glucose (besteht aus sechs C-Atomen) in zwei Moleküle Pyruvat (Brenztraubensäure) mit je drei C-Atomen bezeichnet man als Glycolyse. Der Abbauweg besteht aus zehn Einzelreaktionen und kann in zwei Phasen eingeteilt werden: In der ersten Phase wird Energie (ATP) investiert, um die Glucose in zwei gleichartige Verbindungen aus je drei C-Atomen zu spalten. In der zweiten Phase werden die gebildeten Zwischenprodukte zur Gewinnung von Energie (ATP) und NADH weiterverwendet. Energiediagramm: Energiebilanz der Glycolyse: Verbrauchte ATP - 2 Gewonnene ATP + 4 Bilanz + 2 Bei Eukaryonten laufen alle Einzelreaktionen der Glycolyse im Cytosol (Cytoplasma) ab. 10

11 Die Glycolyse (Forts.) 11

12 Die Reaktionen der 1. Phase der Glycolyse In der ersten Phase der Glycolyse wird Glucose zu Glycerinaldehyd-3- phosphat und Dihydroxyacetonphosphat gespalten; dafür muss Energie investiert werden. 12

13 Die Reaktionen der 2. Phase der Glycolyse In der zweiten Phase der Glycolyse wird Glycerinaldehyd-3-phosphat zu Lactat umgewandelt; dabei wird Energie (ATP) gewonnen. 13

14 Weiterverwertung von Pyruvat Das in der Glycolyse gebildete Pyruvat kann drei katabolische Stoffwechselwege einschlagen: Glucose Glycolyse 2 Pyruvat 2) anaerobe anaerobe 1) Bedingungen Bedingungen 2 Ethanol + 2 CO 2 3) aerobe Bedingungen 2 Lactat alkoholische Gärung (Hefe) 2 CO 2 2 Acetyl-CoA Citratzyklus Atmungskette 4 CO H 2 O Glycolyse (Muskel, Erythrozyten) Milchsäuregärung (Bakterien) Zellen von Tieren, Pflanzen, Mikroorganismen Zu 1) und 2): Die ersten in der Evolution entstandenen Zellen lebten in einer Atmosphäre, die fast keinen Sauerstoff enthielt und führten die Glycolyse unter anaeroben Bedingungen durch. Damit das für die Glycolyse benötigte NAD + regeneriert werden kann, muss die Glycolyse bis zum Lactat, resp. Ethanol laufen. Bei den meisten heutigen Organismen hat sich diese Fähigkeit erhalten. Zu 3): Unter aeroben Bedingungen wird das in der Glycolyse gebildete NADH während der Atmung in den Mitochondrien durch die Uebertragung seiner Elektronen auf O 2 wieder zu NAD + oxidiert (s. Vorlesung WS 06/07). 14

15 Fermentation: Bildung von Lactat Erhalten tierische Gewebe zu wenig Sauerstoff, um die aerobe Oxidation des Pyruvats und des NADH aus der Glycolyse zu unterhalten, wird NAD + aus NADH durch Reduktion von Pyruvat zu Lactat regeneriert. Katalysiert wird diese reversible Reaktion durch die Lactatdehydrogenase (1): (1) Merke: Die Umwandlung von Pyruvat in Lactat geschieht vor allem im stark arbeitenden Muskel (s. Beilage), sowie bei vielen Mikroorganismen. Bestimmte Lactobacillen und Streptococcen beispielsweise fermentieren die in der Milch enthaltene Lacotse zu Milchsäure. Die Dissoziation der Milchsäure im Fermentationsgemisch zu Lactat und H + führt dann zu einem Absinken des ph, wodurch Casein und andere Milchproteine denaturiert werden und ausfallen. Unter den richtigen Bedingungen liefert der dadurch hervorgerufene Gerinnungsprozess Käse oder Joghurt, je nachdem, welcher Mikroorganismus verwendet wird. 15

16 Fermentation: Bildung von Ethanol Hefe und andere Mikroorganismen fermentieren Glucose nicht zu Lactat, sondern zu Ethanol und CO 2 ; dieser Prozess ist irreversibel: (2) (3) Die Pyruvatdecarboxylase (2) kommt in Bier- und Bäckerhefe und allen anderen Organismen vor, die eine alkoholische Gärung durchführen, einschliesslich der Pflanzen. Die Alkoholdehydrogenase (3) kommt in vielen Organismen vor, die Alkohol metabolisieren. In der Leber des Menschen bewirkt sie die Oxidation von Ethanol, das mit der Nahrung aufgenommen oder von Mikroorganismen im Darm produziert wird (Rückreaktion der oben aufgezeigten Reaktion). 16

17 Fermentation: Bildung von anderen Produkten Lactat und Ethanol sind zwar weit verbreitete Produkte bei mikrobiellen Fermentationen, doch keineswegs die einzig möglichen Produkte: Industriell genutzt wird zum Beispiel die bakterielle Herstellung von: Ameisen-, Propion-, Butter-, und Bernsteinsäure, Glycerin, Methanol, Isopropanol, Butanol, Butandiol, Aceton. Die Prozesse sind alle darauf aufgebaut, dass ein leicht verfügbares Material (z.b. Maisstärke, Melasse, etc.) von einer Reinkultur eines spezifischen Mikroorganismus durch Fermentation zu einem wertvollen Produkt umgesetzt wird. Dabei werden komplizierte, mehrstufige chemische Umwandlungen mit hoher Ausbeute und nur wenigen Nebenprodukten von sich selber reproduzierenden Mikroorganismen durchgeführt. 17

18 Energetische Betrachtung der Glycolyse Aenderung der freien Energie glycolytischer Teilreaktionen (nach MüllerEsterl, Biochemie): Die angegebenen Werte wurden aus den freien Standardenergieänderungen Go unter Berücksichtigung typischer intrazellulärer Konzentrationen der jeweiligen Metabolite abgeschätzt. 18

19 Energieausbeute der Glycolyse Unter anaeroben Bedingungen: Energieaufwand pro mol Glucose: Energiegewinn pro mol Glucose (Substratkettenphosphorylierung): Total anaerob: Unter aeroben Bedingungen zusätzlich (Erklärungen folgen im WS): Glycolyse: 2 NADH -> Pyruvatdehydrogenase: 2 NADH -> Citratzyklus: 6 NADH -> 2 FADH 2 -> 2 GTP = Total aerob: Total anaerob + aerob: anaerob aerob 19

20 Regulation der Glycolyse Typische Ansatzpunkte für die Regulation ganzer Stofwechselwege sind Enzyme, die praktisch irreversible Reaktionen katalysieren. Im Fall der Glycolyse stellt die Phosphofructokinase (PFK) DAS Schlüsselenzym dar; die PFK wird in erster Linie durch den Energiestatus der Zelle reguliert: Ist der Energiestatus tief (also ATP niedrig, ADP und AMP hoch), so wird die PFK - und damit die Glycolyse - aktiviert. Ist der Energiestatus hoch (also ATP hoch, ADP und AMP tief), so wird die PFK gehemmt. 20

21 Einschleusung anderer Zucker in die Glycolyse Verwandte Verbindungen durchlaufen im Stoffwechsel keine eigenen metabolischen Wege, sondern gelangen durch Quereinstieg in etablierte Stoffwechselwege (allgemeines Prinzip des Stoffwechsels!). Diese Strategie gilt auch für den Abbau, resp. die Verwertung von Glucose-ähnlichen Verbindungen: 21