Clinical definition of the metabolic syndrome

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1 Metabolismus: Lehrbuch der Biochemie: Voet/Voet Kapitel 13: Einführung in den Stoffwechsel Kapitel 14: Glucose Katabolismus Kapitel 15: Glycogen Metabolismus und Gluconeogenese Kapitel 16: Citratcyclus Kapitel 17: Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung Kapitel 20: Aminosäure Katabolismus (Harnstoffzyklus) Script: power-point presentations are available on the D-BIOL teaching platform

2 Clinical definition of the metabolic syndrome

3

4 ATP und NAD(P)H sind die Hauptspeicherformen freier Enthalpie für anabole Reaktionen

5 Elektronenträgermoleküle Nicotinamid-adenin-dinucleotide (NAD + ) NAD + : R = H NADP + : R = PO 3 2-

6 Reduktions-Oxidations Reaktionen: Uebertragung von Elektronen Reduktion von NAD + zu NADH R = ribose-pyrophosphoryl-adenosin NAD + ist in vielen exergonen Oxidationen von Metaboliten der Elektronenakzeptor. Es ist daher wie ATP ein Ueberträger von freier Enthalpie.

7 Elektronenträgermoleküle Flavin-adenin-dinucleotide (FAD)

8 Reduktions-Oxidations Reaktionen: Uebertragung von Elektronen Reduktion von FAD zu FADH 2 R = ribitol-pyrophosphoryl-adenosin Das konjugierte Ringsystem von FAD kann sowohl zwei aufeinander folgende Ein-Elektronen- Reduktionen als auch eine Zwei-Elektronen- Uebertragung eingehen.

9 ATP, die wichtigste energiereiche Währung der Zelle adenin ribose Anhydridbindung: - 32 kj/mol Esterbindung: - 14 kj/mol

10 ATP synthese und hydrolyse Der Phosphatgruppen-Fluss verläuft von energiereichen Phosphatdonoren über das ATP-ADP-System zu energiearmen Phosphatakzeptoren.

11 Indirekte ATP-synthese

12 1) Direkt (benötigt keinen Sauerstoff): Phosphorylierung von ADP zu ATP ADP + Pi --> ATP z.b. Glykolyse 2) Indirekt (benötigt Sauerstoff): Produktion von hoch-energetischen Elektronen Speicherung in einen trans-membranären Protonen-konzentrationsgradienten, der die ATP-synthese treibt. z.b. oxidative Phosphorylierung

13 Ueberblick zum Katabolismus Glucose, Aminosäuren, Fettsäuren und Glycerin werden zum gemeinsamen Zwischenprodukt Acteyl-CoA abgebaut. Die Acetylgruppe wird im Citratcyclus unter gleichzeitiger Reduktion von NAD + und FAD zu CO 2 oxidiert. Die Rückoxidation von NADH und FADH 2 durch O 2 während der oxidativen Phosphorylierung liefern H 2 O und ATP.

14 Glucose: Stärke Glucose wird oft durch den Abbau höherer Polysaccharide (z.b. pflanzliche Stärke) durch die Nahrung aufgenommen

15 Zuckeraufnahme: In den meisten Zellen gelangt Glucose mit Hilfe eines spezifischen Transport- systems, das sie von von ausserhalb der Zelle in das Cytosol transportiert. Die Enzyme der Glycolyse befinden sich im Cytosol, wie sie nur lose miteinander und mit anderen Zellstrukturen assoziert sind.

16 Zuckerstoffwechsel im Körper Zuckerabbau (Glycolyse) Zuckerspeicher (Glycogen) Zuckeraufbau (Gluconeogenese) Hirngewebe

17 Blutzuckerspiegel: --> konstant zwischen 0.6 und 1.0 g/l Glucose-zufuhr Glykogen-abbau Galaktose Umbau Fruktose Gluconeogenese Blut-Glukose Oxidation Glykogen-aufbau Fettbildung

18 Ueberblick des Zuckerabbaus: Glycolyse (glycolysis: aus dem Grichischen: glyk sweet ; lysis dissolution Glucose Pyruvat Aufklärung der Glycolyse Ende Wesentliche Beiträge von Emden, Meyerhof und Paruas. Deshalb wird die Glycolyse auch Emden-Meyerhof-Paruas Weg genannt.

19 Glycolyse: 2 Stufen (10 Reaktionsschritte) Hexokinase Glucosephosphat- Isomerase Phospofructo- kinase Aldolase Stufe 1: Reaktionen 1-5 Verbrauch von Energie (ATP). In dieser vorbereitenden Stufe wird Glucose phosphoryliert und in zwei Moleküle der Triose Glycerinaldehyd-3-phosphat gespalten. Der Process verbraucht 2 ATP Triosephosphat- Isomerase

20 Die einzelnen Schritte der Glycolyse (Reaktion 1)

21 Hexokinase: Enzymatischer Mechanismus I Mg 2+ -ATP ist das eigentliche Substrat. Mg 2+ komplexiert die beiden terminalen Phosphatreste, wodurch der nucleophile Angriff der OH-Gruppe des Substrates erleichtert wird.

22 Energiebilanz der Hexokinasereaktion:

23 Glucosephosphat-isomerase (Schritt 2 der Glycolyse) Der Schritt beinhaltet eine Isomerisierung von Glucose-6-Phosphat (G6P) zu Frucose-6-Phosphat (F6P).

24 Phosphofructokinase (Schritt 3 der Glycolyse) Mit ATP wird Phosphat an Position 1 angehängt. Die Reaktion ist ähnlich wie die Hexokinase Reaktion: PFK katalysiert den nukleophilen Angriff der C1-OH Gruppe von F6P am γ-phosphat von Mg 2+ -ATP.

25 Aldolase (Schritt 4 der Glycolyse) Aldolase katalysiert die Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat in die zwei Triosen Glyceraldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetone phosphate (DHCP)

26 Der Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung Das Enolat Zwischenprodukt ist auf Grund der elektronenziehendes Charakters des Carbonyl-Sauerstoffatoms resonanzstabilisiert. 2 Klassen von Aldolasen: Diese unterscheiden sich in der Art, wie das Enolatintermediat stabilisiert wird. Klasse 1-Aldolasen (Tiere und Pflanzen): Schiffsche Base mit Lysine Klasse 2-Aldolasen (Pilze, Algen, einige Bakterien): Zn 2+ -enzyme

27 Umwandlung der Triosen Hexokinase Glucosephosphat- Isomerase Phospofructo- kinase Aldolase Triosephosphat- Isomerase Die gegenseitige Umwandlung von GAP und DHAP ist sehr effizient, und die Konzentra- tionen der Metaboliten sind ständig im Gleichgewicht. Unter Bedingungen des Fliessgleichgewichts wird aber GAP in den weiteren Glykolyse-Schritten entzogen, und daher DHAP in GAP umgewandelt.

28 Glycolyse: 2 Stufen (10 Reaktionsschritte) GAP- dehydrogenase PG-Kinase PG-Mutase Enolase Stufe 2: Reaktionen 6-10 Die beiden Moleküle Glycerinaldehyd-3- phosphat werden unter gleichzeitiger Bildung von 4 Molekülen ATP in Pyruvat überführt. Pyruvatkinase

29 Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase (GAPDH) (Schritt 6 der Glycolyse) GAPDH katalysiert eine Oxidationsreaktion und eine Phosphorylierung von GAP durch NAD + und P i. Bei dieser Reaktion treibt die Aldehyd-oxidation, eine exogene Reaktion, die Synthese des energiereichen Acylphosphats 1,3-Bisphospho- glycerat (1,3-BPG).

30 Phosphoglycerat-Kinase (Schritt 7 der Glycolyse) In dieser Reaktion wird Phosphat aus der Carbonsäure-Phosphorsäureanhydrid- Bindung auf ADP übertragen und die Phosporsäure-Phosphorsäureanhydrid- bindung des ATP gebildet.

31 Energiebilanz der Gesamtreaktion von GAP zu 3PG Durch Verknüpfung der GAPDH- mit den PGK-Reaktionen kann eine wenig begünstigte mit einer stark begünstigten Reaktion gekoppelt werden, so dass beide Reaktionen in Vorwärtsrichtung ablaufen. In der Glycolyse ist 1.3-BPG das gemeinsame Zwischenprodukt, dessen Verbrauch in der PGK-Reaktion die GAPDH-Reaktion vorwärts zieht. Diese ATP-synthese ist ein Beispiel für eine Substratkettenphosphorylierung. GAP + P i + NAD > 1,3-BPG + NADH ΔG 0 = kj mol -1 1,3-BPG + ADP ----> 3PG + ATP ΔG 0 = kj mol -1 GAP + P i + NAD + + ADP ----> 3 PG + NADH + ATP ΔG 0 = kj mol -1

32 Phosphoglycerat-Mutase (PGM) (Schritt 8 der Glycolyse) Eine Mutase katalysiert die intramolekulare Uebertragung einer funktionellen Gruppe von einer Position auf eine andere.

33 Enolase (Schritt 9 der Glycolyse) Enolase katalysiert die Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat (2PG) zu Phospho-enolpyruvat (PEP). An der Eliminierung von H 2 O ist eine Base beteiligt, die die Deprotonierung an C2 erleichtert, sowie ein Mg 2+ Ion, das die Abspaltung der Hydoxylgruppe begünstigt. Fluoridionen blockieren die Enolase.

34 Mechanismus der Pyruvat-kinase Reaktion Die Reaktion ist in zwei Schritte unterteilt: Hydrolyse und Tautomerisierung. 1) Ein β-phosphorylsauerstoff des ATP greift das PEP-Phosphoratom nucleophil an, wobei unter Verdrängung von Enolpyruvat ATP gebildet wird. 2) Tautomerisierung des Enolpyruvats zu Pyruvat.

35 Gesamtbilanz der Glycolyse: ATP: Nach Verbrauch von ATP am Anfang der Glycolyse werden in der 2. Hälfte vier ATP erzeugt, so dass ein Nettogewinn von zwei ATP resultiert. In der Tat decken eine Reihe von Zellen, die von der Glycolyse leben, ihren Energiebedarf mit diesem ATP. Für die ATP-Gewinnung durch die Glycolyse wird kein Sauerstoff benötigt. --> Direkte ATP-synthese

36 Phosphocreatin: ein ATP-Speicher Creatinkinase ATP + Creatin Phosphocreatin + ADP ΔG 0 = kj mol -1 ATP-Speicher für raschen Einsatz in Muskel und Nervenzellen (reicht im Ruhezustand für wenige Minuten, bei max. Anstrengung aber nur wenige Sekunden)

37 Regulation der Glycolyse: Prinzipiell lässt sich die Geschwindigkeit eines Stoffwechselweges an Enzymen regeln, die stark exergone Reaktionen katalysieren (weit vom Gleichgewicht entfernt).

38 Regulation der Glycolyse: Prinzipiell lässt sich die Geschwindigkeit eines Stoffwechselweges an Enzymen regeln, die stark exergone Reaktionen katalysieren (weit vom Gleichgewicht entfernt). In der Glycolyse sind dies: Hexokinase: ΔG 0 = kj mol -1 Phosphofructo-kinase: ΔG 0 = kj mol -1 Die Regulation der Glycolyse findet an beiden Enzymen statt, am wichtigsten ist aber die Regulation der Phosphofructo-kinase (PFK).

39 Substratkreislauf bei der Regulation von Phosphofructokinase (PFK) Im Ruhezustand des Muskels sind beide Enzyme im F6P/FBP- Substratcyklus aktiv und der glycolytische Fluss ist gering. Im aktiven Muskel steigt die PFK-Aktivität an, während die FBPase-Aktivität abnimmt. Das führt zu einem dramatischen Anstieg im Fluss durch die PFK und daher insgesamt zu einem hohen glycolytischen Fluss.

40 Regulation von metabolischen Enzymen: 1) Allosterische Regulatoren (z.b. Metaboliten) - Aktivatoren - Inhibitoren 2) Regulation durch Signalübertragungswege (z.b. Hormone) - Aktivatoren - Inhibitoren

41 Regulation der Phosphofructokinase: Insulin, stress hormone Phosphofructokinase Phosphofructokinase-kinase (Proteinkinase) P Phosphofructokinase --> hyperaktiv Glycolyse

42 Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose: Zusammen mit Glucose, sind die Hexosen Fructose, Galactose und Mannose die bedeutensten Brennstoffe im Stoffwechsel. Nach der Verdauung werden diese Monosaccharide in den Blut- Kreislauf aufgenommen, der sie zu den verschiedenen Geweben transportiert. Fructose, Galactose und Mannose werden in glycolytische Zwischenprodukte umgewandelt.

43 Abbau von Fructose Fructose ist vorallem in Früchten vorhanden. Oft wird Fructose auch in Form von Saccharose (Disaccharid aus Glucose und Fructose) eingenommen. Saccharose ist uns geläufig als Haushaltszucker, und ist die Hauptspeicherform der Kohlenhydrate in Pflanzen.

44 Abbau von Fructose im Muskel Im Muskel phosphoryliert Hexokinase die C6-position, wobei Fructose-6-phosphat entsteht. Fructose-6-phosphat wird in die Glycolyse weiter abgebaut.

45 Hexokinase: Substrat-spezifität Hexokinase von Bäckerhefe mit (rechts) oder ohne (links) Glucose Hexokinase ist ein relativ unspezifisches Enzym, das in allen Zellen vorkommt und die Phosphorylierung von Hexosen, wie D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose katalysiert.

46 Abbau von Fructose in der Leber Die Leber exprimiert eine als Glucokinase bezeichnete Hexokinase, die nur eine geringe Bindungsaffinität zu Fructose und zu anderen Hexosen (ausser Glucose) hat. Die Umwandlung der Fructose in der Leber erfolgt daher über eine Reaktionsfolge, and der 7 Enzyme beteiligt sind.

47 Der Pentosephosphatweg: Der Pentosephosphatweg beginnt mit G6P, und generiert NADPH für den Einsatz in reduktiven Reaktionen und Ribose-5-phosphat (R5P) für die Nucleotidbiosynthese. Ein Ueberschuss an R5P wird über eine Reihe von reversiblen Reaktionen in Glycolysezwischenprodukte umgewandelt. Bei Bedarf kann daher R5P auch aus GAP synthetisiert werden.

48 Der Pentose-phosphat Abbauweg Gesamtbilanz: 3 G6P + 6 NADP H 2 O ---> 2 F6P + 1 GAP + 3 CO NADPH + 6H + Der Abbau lässt sich in drei Stufen unterteilen: 1) Oxidationsreaktionen führen zu NADPH und Ribulose-5-phosphat. 2) Isomerisierungs- und Epimerisierungs- reaktionen wandeln Ribulose-5-phosphat in Ribose-5-phosphat und Xylulose-5- phosphat um. 3) Umlagerungsreaktionen zur Erzeugung von Fructose-6-Phosphat und GAP aus Xylulose- 5-Phosphat und Ribose-5-Phosphat.

49 Die Verarbeitung von Glucose-6-phosphat (G6P) hängt vom jeweiligen Bedarf an NADPH, Ribose-5-Phosphat (R5P) und ATP ab Situation 1: mehr R5P als NADPH benötigt G6P + ATP --> R5P + ADP + H + For example: rapidly dividing cells (DNA-synthesis) Situation 2: Bedarf an R5P und NADPH ist ausgeglichen G6P + 2 NADP + + H 2 O --> R5P + 2 NADPH + CO 2 + 2H +

50 Die Verarbeitung von Glucose-6-phosphat (G6P) hängt vom jeweiligen Bedarf an NADPH, Ribose-5-Phosphat (R5P) und ATP ab Situation 3: mehr NADPH als R5P benötigt 6 G6P + 12 NADP H 2 O --> 6 R5P + 12 NADPH + 12 H CO 2 G6P vollständig zu CO 2 oxidiert Situation 4: mehr NADPH als R5P benötigt 3 G6P + 6 NADP NAD P i + 8 ADP --> 5 pyruvat + 6 NADPH + 8 H CO NADH + 6 H 2 O ATP und NADPH werden hergestellt

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