Grundzüge des Kohlenhydratstoffwechsels

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1 Grundzüge des Kohlenhydratstoffwechsels 4.2 Grundzüge des Kohlenhydratstoffwechsels Mono-, Oligo- und Polysaccharide

2 Funktionen der Kohlenhydrate Kohlenhydrate erfüllen im Organismus zahlreiche wichtige Funktionen: Brennstoff und Energiespeicher Metabolite Bausteine von DNA und RNA Strukturbausteine Teile von Funktionseinheiten der Zell-Zell- Kommunikation Usw.

3 Struktur der Kohlenhydrate Bezeichnung Kohlenhydrate umfasste ursprünglich Verbindungen der Summenformel C n (H 2 O) n Es gibt allerdings auch Kohlenhydrate anderer Zusammensetzung (Bsp.:Desoxyribose) Nomenklatur unterscheidet Monosaccharide 3-9 C-Atome Disaccharide 2 Monosaccharide Oligosaccharide 3-20 Monosaccharide Polysaccharide >20 Monosaccharide Dabei sind die einzelnen Monosaccharide über sog. Glykosidische Bindungen verknüft

4 Monosaccharide Monosaccharide sind die Aldehyde bzw. Ketone von mehrwertigen Alkoholen Aldosen Ketosen Abhängig von der Anzahl der Kohlenstoffatome (3-9) gibt es Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen, usw.

5 Konfiguration und optische Drehung Die Absolutkonfiguration erfolgt nach Emil Fischer anhand des Glycerinaldehyds, dessen Enantiomerenpaar als Referenz für alle anderen Zucker dient. Das D-Glycerinaldehyd ist rechtsdrehend, das L- Glycerinaldehyd linksdrehend. Absolutkonfiguration und Drehsinn hängen nicht miteinander zusammen!

6 Stereochemie der Monosaccharide Monosaccharide mit 4, 5, 6 und 7 C-Atomen werden als Tetrosen, Pentosen, Hexosen und Heptosen bezeichnet sie besitzen viele asymmetrische C-Atome, kommen als Diastereomere vor (Isomere, die nicht wie Enantiomere Bild und Spiegelbild zueinander sind) Symbole D und L bezeichnen die absolute Konfiguration des asymmetrischen C-Atoms, das am weitesten von der Aldehyd-oder Ketogruppe entfernt ist Epimere sind KH, die sich nur an einem asymmetrischen C- Atom unterscheiden: z.b. D-Glucose/D-Mannose (C-2 Epimere) oder D-Glucose/D-Galaktose (C-4 Epimere)

7 D-Aldosen

8 D-Ketosen

9 Beispiel: Enantiomere der Glucose

10 Beispiel: Diastereomere der D-Glucose Die Diastereomere werden durch ihre Namen, die Enantiomerenpaare durch die Präfixe L-/D- unterschieden.

11 Zyklisierung Pentosen und Hexosen zyklisieren intramolekular unter Bildung eines Halbacetals bzw. eines Halbketals Abhängig davon, welche Atome reagieren, bildet sich die Furanose- oder Pyranose-Form

12 Pyranosen Durch intramolekularen Ringschuluss zwischen C 1 und C 5 C 1 wird asymmetrisch Anomere (α-/β-form): α-form: OH-Gruppe unterhalb der Ringebene β-form: OH-Gruppe überhalb der Ringebene Einstellung eines Gleichgewichts zwischen den beiden Anomeren durch Mutarotation α-d-glucose in Lösung ergibt 36% α-d-glucose und 64% β-d-glucose

13 Furanosen Durch intramolekularen Ringschluss zwischen C 2 und C 5 Anomerbildung und Mutarotation analog zu den Pyranosen

14 Sowohl Ketosen als auch Aldosen können Furanose- und Pyranoseformen eingehen. Meist ist allerdings eine Form stabiler. Beispielsweise liegt Fructose ungebunden meist in Pyranoseform vor, gebunden jedoch als Furanose.

15 Keto-Enol-Tautomerie der Fructose

16 Redoxverhalten von Kohlenhydraten Nachweisreaktion mit Fehlingscher Lösung (Cu 2+ -Tartratkomplex), Tollens Reagenz (Ag + ) Zucker mit freier CHO-Gruppe bezeichnet man als reduzierende Zucker Modifiziere Zucker, die nicht in eine Form mit freier CHO-Gruppe umgewandelt werden können, bezeichnet man als nichtreduzierende Zucker

17 Phosphorylierte Monosaccharide Kinasen (Hexokinase I-III, Hexokinase IV = Glucokinase) übertragen Phosphoryl-Rest auf C 6 - Atom der Glucose Gründe: Negative Ladung verhindert den Membranübergang Aktivierung für weitere Metabolisierung

18 Glycosidische Bindung Sehr reaktive OH-Gruppe am Halbacetal/-ketal

19 Di-, Oligo-, & Polysaccharide entstehen durch glykosidische Verknüpfung mehrerer Monosaccharide. Zur genauen Definition sind wichtig: Monosaccharid-Bausteine? Welches Monomer? Anomerenform (α-/β-form)? Welche OH-Gruppe des jeweils folgenden Zuckers geht die glycosidische Bindung ein? Verknüpft/Unverknüpft? Eventuell noch andere Bausteine außer Zuckern?

20 Disaccharide Saccharose α-1,2-glykosidisch verknüpft Aus Zuckerrohr und Zuckerrüben Nichtreduzierend Lactose β-1,4-glykosidisch verknüpft Zucker der Milch Reduzierend

21 Maltose α-1,4-glykosidisch verknüpft Abbauprodukt von Stärke Reduzierend

22 Polysaccharide Gerüstpolysaccharide Cellulose Homopolymer (nur Glucose) β-1,4 glykosidisch verknüpft lange, unverzweigte Ketten Speicherpolysaccharide Stärke Speicherpolysaccharid der Pflanzen Homopolymer (nur Glucose) 2 Formen: Amylose (α-1,4-glykosidisch verknüpft unverzweigt) Amylopektin (neben α-1,4 auch ca. alle 30 Glucoseeinheiten α-1,6 verknüpft)

23 Polysaccharide Speicherpolysaccharide Glykogen Speicherpolysaccharid der Tiere Homopolymer (nur Glucose) + Glykogenin (Protein) Ähnlich dem Amylopektin neben α-1,4 auch ca. alle 10 Glucoseeinheiten α-1,6 verknüpft Vorteil der Speicherform als Glykogen: Osmotisch wirksame Monomere werden in osmotisch wenig wirksame Polymere umgewandelt Verzweigungen erlauben im Fall von Energiemangel den gleichzeitigen Abbau von Glucose-Einheiten an mehreren Stellen des gleichen Glykogen-Moleküls.

24 Oligo-/Polysaccharidaufbau Ein für den Oligo-/Polysaccharidaufbau wichtiger aktivierter Stoff ist Glucose-1- Phosphat. Dieses entsteht unter Einwirkung von Glucose- 1,6-bisphosphatat als Cosubstrat aus Glucose- 6-Phosphat. Das katalysierende Enzym ist Phosphoglucomutase (eine Transferase)

25 Aus Glucose-1-Phoshat leiten sich die Nukleosiddiphosphat-Zucker ab: ADPG (Adenosindiphosphoglucose) UDPG (Uridindiphosphoglucose) Cosubstrate sind jeweils ATP/UTP Die Reaktion verläuft unter Abspaltung von Pyrophosphat, welches hydrolytisch in zwei Phosphatreste gespalten wird, wodurch das Gleichgewicht zum ADPG/UDPG hin verschoben wird. Ab hier unterscheiden sich die Synthesen von Stärke und Glykogen

26 Saccharosesynthese Charakteristisch für pflanzliche Organismen Substrate sind UDPG und Fructose bzw. Fructose-6-Phosphat. Mechanismus: Glucoserest des UDPG wird auf Fructose bzw. Fructosephosphat übertragen. Es entsteht Saccharose bzw. Saccharose-Phosphat. Letzteres wird hydrolytisch zu Saccharose und Phosphat gespalten.

27 Stärkesynthese Ausgangsverbindung ist ADPG Das Enzym Stärkesynthase überträgt den Glucose-Rest des ADPG auf ein Startermolekül, welches aus α-1,4- verknüpften Glucosemolekülen besteht. Die Verzweigungen des Amylopektins werden durch ein anderes Enzym eingebaut. Die Stärkesynthese läuft in den Plastiden ab ( Amyloplasten)

28 Stärkeabbau Durch Amylasen und R-Enzym Amylasen Bestandteile des Speichels sowie des Sekrets des Pankreas α-amylasen sind Endoamylasen α-1,4-bindungen Aus Amylopektin entstehen deshalb Isomaltose und sog. Grenzdextrine (werden vom R-Enzym abgebaut) β-amylasen (rein pflanzlich) sind Exoamylasen α- 1,4-Bindungen werden unter Invertierung der α- Bindung gespalten sodass β-maltose entsteht

29 Glykogenstoffwechsel Glycogen ist ein wichtiger Energiespeicher des tierischen Organismus. Alle Körperzellen außer Erythrocyten enthalten Glycogen und können dieses auch selbst synthetisieren Mengenmäßig am wichtigsten sind Skelettmuskulatur (ca. 1g/100g) und die Leber (ca. 10g/100g) Insgesamt reicht die Speicherkapazität für 400g Glycogen, welches den Energieverbrauch für ca. 24h deckt.

30 Glycogenbiosynthese Substrat für die Glycogenbiosynthese ist das UDPG Dabei wird der Glucose-Rest des UDPG unter Abspaltung von UDP auf das C 4 - Atom des letzten Glucose-Monomers eines aus mindestens vier Glucose- Einheiten bestehenden Rest des Starter -Glycogens übertragen. Das verantwortliche Enzym ist die Glycogensynthase (UDP- Glycogen- Transglucosylase). Produkt ist unverzweigtes, 1,4-glycosidisch verknüpftes Glycogen (entspricht der Amylose)

31 Glycogenbiosynthese Für die Einführung von Verzweigungen wird ein aus 6-7 Glycosyl-Resten bestehendes Ende der Glycogenkette auf das C 6 -Atom eines anderen Glucose-Restes im Glycogenmolekül übertragen Das Enzym ist die Amylo-1,4-1,6-Transglycolase (branching enzyme, Verzweigungsenzym)

32 Glykogenbiosynthese Da die Glycogensynthase immer bereits vorhandenes Glycogen benötigt, kann dieneubildung eines Glycogenmoleküls durch diesen Mechanismus nicht erklärt werden. Für die Neubildung ist Glycogenin nötig. Dieses hat eine Glycosyltransferaseaktivität und kann sich selbst selbst mit UDPG an einem Tyrosyl-Rest glycosylieren. Das glycosylierte Glycogenin ist dann Substrat für die Glycogensynthase.

33 Glycogenabbau Der Glycogenabbau erfolgt grob in drei Schritten: Freisetzung von Glucose-1-Phosphat Umstrukturierung des Glycogens für weiteren Abbau Umwandlung von Glucose-1-Phopshat zu Glucose 6- Phosphat Glucose-6-Phosphat kann anschließend weiter metabolisiert werden: Als Substrat für die Glycolyse Als Substrat für den Pentosephosphat-Weg Als freie Glucose ins Blut

34 Glycogenabbau Für den Glycogenabbau sind vier Enzymaktivitäten nötig: Eine für die Abspaltung von Glucose-1-Phosphat Zwei für den Umbau des Glycogens, damit es Substrat für den Abbau bleibt (Verzweigungen) Eine für die Umwandlung von Glucose-1-Phosphat in Glucose-6-Phosphat Meist läuft der Glycogenabbau nicht bis auf die Stufe des Glycogenins.

35 Glycogenabbau Glycogenphosphorylase Glycogen wird phosphorolytisch und nicht hydrolytisch gespalten, um das ATP zu sparen, das zur Phosphorylierung der Glucose nötig wäre Phosphorolyse ist die Spaltung einer Bindung unter Einfügung eines Orthophosphat-Restes Phosphorylase ist Schlüsselenzym bei der Regulierung des Abbaus

36 Glycogenabbau Bei der phosphorolytischen Spaltung wird Pyridoxalphosphat als prosthetische Gruppe verwendet

37 Glycogenabbau