Pentosephosphat-Weg: alternativer Abbau von Glucose. Wird auch als Hexosemonophosphatweg (HMW) oder Phosphogluconat-Cyclus bezeichnet.

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1 Pentosephosphat-Weg: alternativer Abbau von Glucose Wird auch als Hexosemonophosphatweg (HMW) oder Phosphogluconat-Cyclus bezeichnet. Er liefert NADPH und Ribose-5-phosphat. NADPH ist die 2. Währung der Zelle. NAD + /NADH und NADP +/ NADPH werden von verschiedenen Enzymen verwendet!!! NAD + >>> NADH: Oxidation von Metaboliten NADP + << NADPH: Reduktion von Metaboliten 1

2 Pentosephosphatzyklus und NADPH-Bildung 2

3 NADH und NADPH In einer Zelle mit ausreichender Energie/O 2 - Versorgung: NAD + > NADH NADPH > NADP + Katabolismus Anabolismus RT Nernst Gleichung: E h = ln ( co x / c red ) nf => NADPH hat höhere Reduktionskraft als NADH (Biosynthesen!) 3

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5 Pentosephosphat-Weg Alternativer Abbau von Glucose Bis zu 30 % in der Leber Gewinnung von NADPH Gewinnung von Ribose-5-phosphat für Nucleotidsynthese Reguliert durch Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase 3 Stufen: Oxidative Schritte Isomerierungsschritte C-C-Rearrangement 5

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7 Pentosephosphatzyklus Übersicht 1. Oxidative Phase Decarboxylierung (C 6 C 5 ) 2. Nichtoxidative Phase 2.1 Isomerisierung/Epimerisierung 2.2 3xC 5 2xC 6 + C 3 7

8 Pentosephosphatzyklus 1. Oxidativer Teil 8

9 Oxidative Schritte 9

10 Oxidative Schritte Oxidation der Glucose zum Gluconolacton Hydrid-Transfer (C1) auf NADP + H + -Abspaltung führt zum Lacton Oxidation: H 2 -Abgabe oder O-Aufnahme! 10

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12 Oxidative Schritte Hydrolyse des Lactons zum Gluconat 6-Phosphogluconolactonase beschleunigt die Hydrolyse 12

13 Oxidative Decarboxylierung von 6-Phosphogluconat durch Phosphogluconat-Dehydrogenase Mechanismus: analog Isocitrat-Dehydrogenase des Citratcyclus 13

14 Oxidative Schritte Ribulose- 5-phosphat 14

15 Pentosephosphatzyklus 2. Isomerisierung/Epimerisierung von Ribulose-5-P 1. Isomerisierung 2. Epimerisierung 3 x Ribulose-5-P 2 x Xylulose-5-P + Ribose-5-P 15

16 Pentosephosphatzyklus 3. Umlagerung des Kohlenstoffgerüstes: Transketolase TPP-Enzyme C 2 -Einheit von Ketose auf Aldose 16

17 Pentosephosphatzyklus 3. Umlagerung des Kohlenstoffgerüstes: Aldolase Überträgt C 3 -Einheit von Ketose auf Aldose, kein TPP-Enzym 17

18 C-C-Rearrangement 18

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20 Gluconeogenese Warum? Mensch: 200 g Glucose im Ruhezustand, davon 75 % im Gehirn ~ Glycogen-Menge in Muskel und Leber & Glucose im Blut Gehirn: Glucose ist Hauptenergielieferant Hunger würde zu unmittelbaren Schäden führen Lösung: De novo Synthese von Glucose aus Aminosäuren Nur in Leber und Niere! 20

21 Gluconeogenese 21

22 Gluconeogenese Irreversible Schritte der Glykolyse ATP irreversibel ATP PEP G-Werte auf zelluläre Bedingungen bezogen 22

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24 Gluconeogenese Irreversible Schritte der Glykolyse Glykolyse Pyruvatkinase Gluconeogenese Pyruvat Pyruvatcarboxylase Biotin ATP +33 kj mol -1 Oxalacetat PEP PEP-Carboxykinase GTP CO 2 Zucker-P-Kinasen +22 kj mol kj mol -1 Fructose-1,6-BP Fructose-6-BP Glucose-6-P Glucose Phosphatasen P i 24

25 Gluconeogenese Drei irreversible Schritte: PEP Pyruvat F6P F1,6BP Glucose G6P Pyruvat Oxalacetat PEP F1,6BP F6P G6P Glucose andere Enzyme, andere Produkte 25

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27 Synthese von Phosphoenolpyruvat 27

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29 Bei Überschuss an Pyruvat und Mangel an Oxalacetat: 29

30 Coenzym 30

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33 aus Oxalacetat wird PEP: GTP-Verbrauch 33

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35 Gluconeogenese Pyruvat-Carboxylierung In den Mitochondrien! Malat-Shuttle / Antiporter 35

36 Kinasen und Phosphatasen Kinase Phosphatase 36

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39 Gluconeogenese Phosphatasen Fructose-1,6-BP Fructose-6-BP exergon Phosphatasen P i Glucose-6-P Glucose exergon in der Membran von glattem ER! organspezifisch! 39

40 Glycolyse / Gluconeogenese Regulation Reziproke Regulation der irreversiblen Schritte! Glykolyse Gluconeogenese Hohe Energieladung (viel ATP, wenig AMP) Citratzyklus läuft optimal (wenig Citrat) Bsp.: Phosphofructokinase / Fructose-1,6-Biphosphatase ähnlich: Pyruvat Kinase / Pryuvat Carboxylase + PEP Carboxy Kinase 40

41 noch mehr Glucose 41

42 Glucosespeicher: Glykogen 42

43 Glykogen: Speicherfrom der Glucose Verzweigung alle 8-12 Reste: paralleler Abbau möglich! Vorkommen im Cytoplasma in Granula, Muskel: 1-2 %, Leber bis 10 % schneller Zugriff, anaerober Stoffwechsel möglich, liefert Glucose 43

44 Glycogenstoffwechsel Aufbau von Glycogen 44

45 Übersicht über Auf- und Abbau 45

46 Glykogenabbau 46

47 Abbau Glyocogen-Phosphorylase: Dimer, je 842 AA (97 kda) Glycogen n + Phosphat Glucose-1-Phosphat + Glycogen n-1 47

48 Glycogen - Abbau 1. Glycogen-Phosphorylase: Mechanismus 48

49 1. Phosphorylase: Kontrollpunkt der Glycogenolyse Cofaktor: PLP (Pyridoxalphosphat), kovalent an Lys679 gebunden, Phosphatgruppe am Säure-Base-Katalysemechanismus beteiligt 49

50 Protonierung des Glycosid-Sauerstoffs 50

51 Oxonium-Ion durch PLP-Protonen-Relais Ionenpaar (elektrostat. Katalyse) Basenkatalysierte PLP-Regeneration 51

52 Glucose-1-phosphat 52

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54 2. Glucosephosphat-Mutase 54

55 3. Glycogen-Debranching-Enzym Transglykosidase: (Glycosyltransferase) (1-4)-Trisaccharid-Einheit wird auf das nicht reduzierende Ende übertragen - (1-6)-Bindung wird hydrolysiert verzweigtes Glykogen unverzweigte Kette, Glucose 55

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57 sterisch nicht zugänglich für Phosphorylase 57

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59 Glykogen-Aufbau Auf- und Abbau verwenden verschiedene Enzyme McArdle-Krankheit (schmerzhafte Muskelkrämpfe bei Anstrengung) Ursache: Defekt der Glycogen-Phosphorylase, Abbau nicht möglich, aber Aufbau möglich thermodynamisch notwendiger Umweg über Uridin-diphosphat-Glucose (UDPG) 59

60 1. UDP-Glucose-Pyrophosphorylase/anorg. Pyrophosphatase G /kjmol -1 G1P + UTP UDPG + PP i ~ 0 H 2 O + PP i 2 P i -31 G1P + UTP UDPG + 2 P i -31 UDP-Glucose-Pyrophosphorylase anorg. Pyrophosphatase 60

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62 2. Glykogen-Synthase Mechanismus über Oxonium-Ion (Übergangszustand) aber: nur Verlängerung der Kette Start: Übertragung auf Tyr-OH von Glycogenin (Protein) 62

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64 3. Branching Enzym (Verzweigungsenzym) 64

65 Glygogenin 65

66 Spaltung von (1 4)-glyk. Bindung Bildung von (1 6)-glyk. Bindung Übertragende Kette besteht aus ca. 7 Glucose-Resten, Kette enthält davor min. 11 Glucose Reste, neuer Verzweigungspunkt muss min. 4 Reste vom letzten entfernt sein 66

67 Bilanz Für jedes in Glykogen umgewandelte Molekül Glucose wird ein UTP verbraucht (in UDP und anorg. Phosphat gespalten)! UDP + ATP UTP + ADP (Nucleosid-diphosphat-Kinase) 67

68 Regulation/Kontrolle des Glycogenstoffwechsels Direkte allosterische Kontrolle von Glycogen-Phosphorylase (GP) und Glycogen-Synthetase (GS) ATP-Bedarf: GP, GS ATP/G6P-Überschuss: GS, GP Glycogenabbau Glycogenaufbau Die allosterische Kontrolle erfolgt durch unterschiedliche Affinität der Modulatoren an inaktive (T-)/aktive (R-) Form und Verschiebung des Gleichgewichtes 68

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72 Glycogen Auf- und Abbau Regulation 72