Gluconeognese Neusynthese von Glucose aus Pyruvat

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1 Gluconeognese Neusynthese von Glucose aus Pyruvat Warum notwendig? Das Gehirn ist auf eine konstante Versorgung mit Glucose angewiesen. Eine Unterzuckerung (< 3 4 mmol/l) führt unweigerlich zur Bewußtlosigkeit und Schädigungen der Nervenzellen (Hirnödem!), die ohne Glucosezufuhr tödlich enden. Der Glucosebedarf des Gehirns beträgt ca. 140 g/tag. Da die Glykogenspeicher der Leber schon nach 24 h erschöpft sind, muss der Körper Glucose neu generieren. Die Kapazität der Leber zur Glucoseneubildung beträgt g/24 h. Dies geschieht in der Leber (und zu einem kleinen Teil in der Niere) aus Pyruvat. Nur Stoffwechselsubstanzen, die zu Pyruvat metabolisiert werden können, sind in der Lage Glucose neu zu bilden (z.b. Aminosäuren wie Alanin). Weitere Gewebe sind aufgrund eines bevorzugt anaeroben Stoffwechsels ebenfalls auf Glucose angewiesen: Erythrozyten, Zellen der Retina und der Medulla der Niere.

2 Substrate für die Gluconeogenese Lactat Erythrozyten, Muskel Aminosäuren insbes. Alanin, Glycin, Cystein, Serin Glycerin Triacylglycerinabbau im Fettgewebe Merke: Fettsäuren wie z.b. Palmitinsäure sind keine Substrate für die Gluconeogenese, da aus ihrem Abbauprodukt Acetyl-Co A kein Pyruvat gebildet werden kann!

3 Glucogene Aminosäuren Serin Cystein Glycin Alanin Tryptophan Threonin Tyrosin Phenylalanin Pyruvat Oxalacetat Aspartat Asparagin Glucose Histidin Prolin Glutamin Glutamat Arginin Isoleucin, Valin, Methionin

4 Substrate der Gluconeogenese treten in den Stoffwechselweg ein als Lactat (Cori Zyklus) Glycerol vom Triacylglycerol Abbau Pyruvat und Oxalacetat vom Aminosäureabbau (Transaminierungsreaktionen)

5 Gluconeogenese - Glykolyse 3 Reaktionen der Glykolyse sind aus thermodynamischen Gründen irreversibel: 1. Phosphorylierung der Glucose durch die Hexokinase/Glucokinase 2. Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat durch die Phosphofructokinase 3. Bildung von Pyruvat aus Phosphoenolpyruvat Diese 3 Reaktionen müssen bei der Gluconeogenese umgangen werden.

6 Gluconeogenese Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat Diese Reaktion verbraucht 1 ATP und 1 GTP Molekül

7 Pyruvat PEP Schritt 1: Carboxylierung von Pyruvat erfordert Biotin als Cofaktor Die Pyruvatcarboxylase wird allosterisch kontrolliert: Aktivierung durch Acetyl-CoA!! O - CH 3 CCO 2 Pyruvate + CO 2 + ATP O - CH 2 CCO 2 CO 2 - Biotin Pyruvatcarboxylase Oxalacetat + ADP + P i

8 Biotin Biotin ist ein Carrier von CO 2 O HN H NH H 1. H 2 N- Enzy m 2. CO 2 + ATP S Biotin - O O CO 2 - C N O NH H H S C O NH-Enzym

9 Pyruvat PEP Die Decarboxylierung von Oxalacetat ist gekoppelt mit einer Phosphorylierung durch GTP O - CH 2 CCO 2 CO 2 - Oxaloacetat Pyruvat + ATP + GTP CH 2 = CCO GTP OPO 3 2- Phosphoenolpyruvat + CO 2 + GD P Phosphoenolpyruvat + ADP + GDP + P i Nettoreaktion aus Decarboxylierung/Phosphorylierung

10 Gluconeogenese Die 2. Reaktion, die sich von der Glykolyse unterscheidet ist die Dephosphorylierung von Fructose-1,6-bisphosphat 2- CH 2 OP O 3 C O HO H H OH H OH 2- CH 2 OP O 3 Fructose-1,6-bisphosphat Fructose-1,6-bisphosphatase H 2 O P i CH 2 OH C O HO H H OH H OH 2- CH 2 OP O 3 Fructose-6-phosphat Die Fructose-1,6-bisphosphatase wird allosterisch durch AMP gehemmt und durch ATP aktiviert!

11 Gluconeogenese Die 3. Reaktion, die sich von der Glykolyse unterscheidet ist die Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat HO HO CH 2 OP O 3 2- O OH OH α-d-glucose-6-phosphat Glucose-6- phosphatase H 2 O P i HO HO CH 2 OH O OH OH α-d-glucose

12 Glucose-6-Phosphatase Das Vorhandensein der G-6-Phosphatase im endoplasmatischen Retikulum (ER) von Leber und Niere macht die Gluconeogenese erst möglich. Die Muskulatur kann G-6-P nicht zu Glucose abbauen. G-6-P wird mit dem Transport in das ER hydrolysiert. ER Vesikel, die mit Glucose gefüllt sind, fusionieren mit der Plasmamembran und setzen Glucose in die Blutbahn frei.

13 Energiebedarf der Gluconeogenese aus Pyruvat Pyruvat-Carboxylase Phosphoenolpyruvat- Carboxykinase Phosphoglyceratkinase Summe pro C3 Körper : Summe pro Glucose: 1 ATP 1 ATP (GTP) 1 ATP 3 ATP 6 ATP

14 Allosterische Regulation der Gluconeogenese 1. Pyruvat-Carboxylase Aktivierung durch Acetyl-CoA und ATP d.h. die Gluconeogenese findet nur dann statt wenn genügend Energie in Form von ATP bzw. Stoffwechselintermediaten, die zur ATP Gewinnung eingesetzt werden (Acetyl-CoA), in der Zelle vorhanden ist. 2. Fructose-1,6-bisphosphatase Hemmung durch Fructose-2,6-bisphosphat

15 Die Gluconeogenese wird durch Hormone und Neurotransmitter reguliert Glucagon und Adrenalin stimulieren die Gluconeogenese über camp und Proteinkinase A- abhängige Interkonversion der Phosphofructokinase Typ II (PFK2) Glucocorticoide stimulieren die Gluconeogenese durch die Induktion von Schlüsselenzymen wie der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK)

16 Signalwege des Adrenalins (engl. Epinephrine) camp

17 Aktivierung der Proteinkinase A durch camp camp bindet an die regulatorische Untereinheit R. Die Konformationsänderung von R bewirkt die Freisetzung der katalytischen Untereinheit C.

18 Prinzipien der Stoffwechselregulation Enzymkonversion durch Phosphorylierung

19 Der Cori Zyklus Glykolyse im Muskel Gluconeogenese in der Leber Glucose 2ATP Pyruvat NADH NAD + Lactat Glucose Pyruvat Lactat 2GTP 4ATP NADH NAD + Bei diesem Zyklus wird netto ATP verbraucht, alle anderen Metaboliten werden regeneriert!

20 Gluconeogenese - Beteiligung verschiedener zellulärer Kompartimente 1. Pyruvatcarboxylase: Mitochondrium 2. Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase bis zur Phosphohexoseisomerase (Glucose-6-phosphat): Zytoplasma 3. Glucose-6-phosphatase: endoplasmatisches Retikulum

21 Allosterische Kontrolle Glykogenmetabolismus Glykolyse Gluconeogenese

22 Fructose-2,6-bisphosphat ist ein wichtiger allosterischer Regulator der Glykolyse und Gluconeognese Fructose-2,6-bisphosphat stimuliert die Phosphofructokinase und somit die Glykolyse hemmt die Fructose-1,6- bisphosphatase und somit die Gluconeogenese

23 Der intrazelluläre Gehalt an Fructose-2,6-bisphosphat wird durch die Phosphofructokinase Typ 2 (PFK-2) reguliert Die PFK-2 ist ein bifunktionelles Enzym, das zwei gegenläufige Reaktionen katalysiert: 1) Die Bildung von Fru-2,6-P aus F-6-P = Kinase-Aktivität 2) Die Bildung von Fru-6-P aus F-2,6-P = Phosphatase-Aktivität Im phosphorylierten Zustand überwiegt die Phosphatase-Aktivität der PFK-2. Glucagon und Adrenalin (camp) stimulieren die Phosphorylierung der PFK-2 und bewirken eine Absenkung der Fru-2,6-P Spiegel in der Zelle. Insulin stimuliert die Dephosphorylierung der PFK-2 und bewirkt eine Erhöhung der Fru-2,6-P Spiegel in der Zelle.

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