Grundzüge des Energiestoffwechsels I

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1 Grundzüge des Energiestoffwechsels I 4.5 Grundzüge des Energiestoffwechsels Glykolyse Pyruvatdecarboxylierung Citratzyklus Glyoxylatzyklus und Gluconeogenese Atmung, Endoxidation Anaplerotische Reaktionen Gärungen

2 Übersicht Stoffwechselvorgänge Glucose Glycolyse Gluconeogenese Pyruvat Aerobe Stoffwechselwege Anaerobe Stoffwechselwege Fettsäuren Pyruvatdecarboxylierung Milchsäure-Gärung Alkoholische Gärung β-oxidation Lactat Ethanol Acetyl-CoA Glyxoxylat-Cyclus Citratcyclus Atmungskette RedoxÄquivalente CO 2

3 Gliederung Glycolyse Gluconeogenese Anaerobe Stoffwechselwege Milchsäure-Gärung Alkoholische Gärung Aerobe Stoffwechselwege Pyruvatdecarboxylierung Citratcyclus Glyoxylatcyclus Anaplerotische Reaktionen/Cataplerotische Reaktionen Atmungskette

4 Glycolyse Definition (Leistner-Breckle) Unter dem Begriff Glycolyse werden die enzymatischen Schritte zusammengefasst, bei denen Glucose zu Brenztraubensäure abgebaut wird. Bei diesem Vorgang entstehen NADH/H+ und ATP. Definition (Löffler) Glycolyse ist die Bezeichnung für die Reaktionsfolge, in der Glucose anaerob unter ATP-Gewinn zu Lactat abgebaut wird.

5 Die Enzyme, die in der Glycolyse Anwendung finden, sind im Cytosol lokalisiert. Die Glycolyse kommt in allen tierischen und pflanzlichen Zellen, in einfachen eukaryotischen Zellen und in vielen Mikroorganismen vor.

6 Ablauf der Glycolyse Die Glycolyse lässt sich grob unterteilen in Energieinvestitionsphase und Energiegewinnungsphase

7 Energieinvestitionsphase Die Energieinvestitionsphase umfasst die ersten fünf Reaktionen der Glycolyse. Diese führen zur Spaltng eines Glucose-Moleküls in zwei äquivalente Triosephosphate. Dabei sind alle Zwischenprodukte mit Phosphorsäure verestert.

8 Phosphorylierung von Glucose Glucose gelangt mittels spez. Transportproteine (sog. Glucosetransporter (z.b. GLUT2: Leber, endokrines Pankreas, GLUT4: Insulin-abhängige Gewebe (Fettgewebe, Muskulatur)) in die Zelle. Im ersten Schritt wird Glucose unter ATP-Verbrauch zu Glucose-6- Phosphat phosphoryliert. Die Reaktion verläuft aus thermodynamischen Gründen irreversibel Diese Reaktion wird durch die Hexokinasen I-IV katalysiert.

9 Einschub: Hexokinasen Allgemein: Kinasen sind Transferasen, die spezifisch Phosphoryl-Reste übertragen Im Körper kommen vier Isoenzyme vor: Hexokinase I Hexokinase II Hexokinase III Glucokinase ( = Hexokinase IV) Die Hexokinasen I-III (HK I-III) unterscheiden sich sowohl in ihrer Kinetik, als auch in ihrer Lokalisation von der Glucokinase (GK). GK spezifisch in Hepatocyten und Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas HK I-III werden durch Glucose-6-Phosphat gehemmt ( Produkthemmung) GK wird nicht durch Glucose-6-Phosphat gehemmt, und zusätzlich durch Insulin induziert

10 Isomerisierung Glucose-6-Phosphat wird durch die Hexose- Phosphat-Isomerase ( = Phosphoglucose- Isomerase) zu Fructose-6-Phosphat isomerisiert

11 2. Phosphorylierung Unter Verwendung eines weiteren ATP-Moleküls wird Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat phosphoryliert. Das beteiligte Enzym ist die Phosphofructokinase I (= Fructose-6-phosphat-1-Kinase, PFK-1) Dieser Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glycolyse und verläuft irreversibel!

12 Einschub: Phosphofructokinase I Die PFK I ist das wichtigste allosterisch regulierte Enzym der Glycolyse, weil es geschwindigkeitsbestimmend für deren Ablauf ist. Es hat die Funktion eines Energiesensors. Allosterische Effektoren: Aktivatoren: ADP, AMP, Fructose-2,6-Bisphosphat Inhibitoren: ATP, Citrat

13 Aldolspaltung Aldolspaltung von Fructose-1,6-Bisphosphat zu Dihydroxyacetonphosphat (C 1 -C 3 ) und Glycerinaldehyd-3-Phosphat/3- Phosphoglycerinaldehyd (C 4 -C 6 ) Das beteiligte Enzym ist die Fructose-1,6- Bisphosphat- Aldolase

14 Isomerisierung Von den beiden entstandenen Triosen kann nur der Aldehyd direkt weiter metabolisiert werden. Die Ketotriose wird durch die Triosephosphat- Isomerase umgewandelt. Somit sind die Aldose und Ketose bezüglich des Energiestoffwechsels äquivalent.

15 Zwischenbilanz In der Energieinvestitionsphase der Glycolyse wurden zwei Moleküle ATP verbraucht, um aus einem Molekül Glucose die beiden Triosephosphate zu erhalten. Verbrauch Gewinn - 1 x Glucose 2 x Glycerinaldehyd-3-Phosphat - 2 x ATP

16 Energiegewinnungsphase In der zweiten Phase erhält die Glycolyse eine positive Energiebilanz. Dabei werden die beiden Triosephosphate in fünf Schritten zu jeweils einem Molekül Pyruvat umgesetzt.

17 Oxidation von Glycerinaldehyd-3- Phosphat Jedes der beiden resultierenden Glycerinaldehyd-3- phosphat-moleküle wird durch den Multienzymkomplex Glycerinaldehyd-3-Phosphat- Dehydrogenase, unter Verwendung von NAD + als Cosubstrat und der Übertragung einer Phosphatgruppe zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert. Bei dieser Reaktion erfolgt eine Energiekonservierung in Form der energiereichen Bindung des Produkts.

18 Die Bildung des 1,3-Bisphosphoglycerats erfolgt tatsächlich in zwei Schritten: Oxidation der Aldehyd- zu einer Carboxyl-Gruppe Veresterung der Carboxyl-Gruppe mit einem Orthophosphat zu einem Acylphosphat

19 Katalytischer Mechanismus der Glycerinaldehyd- 3-Phosphat-Dehydrogenase Es entsteht in einer Zwischenstufe ein Thioester.

20 Vorteil der Thioester-Kupplung Die Ausbildung der Thioester-Bindung führt zu einer signifikanten Abnahme der Aktivierungsenergie zur Bildung des Acylphosphats

21 Einschub: NAD + / NADP + Coenzyme bei Redox-Reaktionen:

22 Substratkettenphosphorylierung Die Phosphoglyceratkinase katalysiert die Übertragung des Phosphat-Restes von 1,3- Bisphosphoglycerat auf ein ADP unter Bildung von ATP und 3-Phosphoglycerat. Die gesamte Reaktionssequenz ausgehend vom Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird Substratkettenphosphorylierung genannt.

23 Zwischenbilanz Pro Molekül Glycerinaldehyd-3-Phosphat wurde ein Molekül ATP gewonnen. Zusätzlich wurde ein Reduktionsäquivalent in Form von NADH/H + gewonnen, welches in nachfolgenden Prozessen zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Verbrauch - 1 x Glucose Gewinn - 2 x ATP + 2 x ATP + 2 x NADH/H +

24 Isomerisierung Die Phosphat-Gruppe des 3-Phosphoglycerat wird unter Katalyse durch die Phosphoglyceratmutase auf Position 2 verschoben. Das Enzym benötigt katalytische Mengen an 2,3-Bisphosphoglycerat

25 Dehydratisierung Aus 2-Phosphoglycerat wird durch die Lyase Enolase Wasser abgespalten. Es entsteht die ebenfalls sehr energiereiche Verbindung Phosphoenolpyruvat (PEP)

26 Pyruvatbildung Im letzten Schritt der Glycolyse wird die Phosphat-Gruppe des Phosphoenolpyruvats auf ein ADP übertragen, es entsteht ATP und Pyruvat. Auch diese Reaktion ist aus thermodynamischen Gründen irreversibel Das beteiligte Enzym ist die Pyruvatkinase.

27 Energiebilanz der Glycolyse Pro Molekül Glucose werden im letzten Schritt jeweils wieder 2 Moleküle ATP gebildet. Verbrauch -1 x Glucose Gewinn - 2 ATP + 2 ATP + 2 x NADH/H ATP Daraus ergibt sich folgende Nettogleichung für die Reaktionen der Glycolyse: Glucose + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD + 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH/H H 2 O

28 Abhängig vom Organismus, der Enzymausstattung und dem Sauerstoff- Angebot können die entstandenen Produkte über verschiedene Stoffwechselprozesse weiter zur Energiegewinnung in Form von ATP genutzt werden. Pyruvatdecarboxylierung, Citratcyclus, Glyoxylatcyclus, Atmungskette, Gärungen

29 Regeneration von NAD + Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase Aktivität führt nicht nur zu 1,3-BPG, einem reaktiven Acylphosphat mit hohem Phosphorylgruppen-Übertragungspotential, sondern zwangsläufig auch zur Reduktion von NAD + zu NADH/H +. Da NAD + nur begrenzt in der Zelle vorliegt, muß es zum weiteren Ablauf der Glykolyse regeneriert werden.

30 Anaerobe & aerobe Regeneration Die Regeneration kann dabei mittels verschiedener Stoffwechselwege erfolgen.

31 Man unterscheidet dabei die anaeroben Gärungen (Milchsäuregärung, alkoholische Gärung) von der aeroben Endoxidation. Eine Gärung ist ein ATP-erzeugender Prozess, in dem organische Verbindungen sowohl als Elektronendonoren als auch akzeptoren fungieren. Gärungen finden in Abwesenheit von O2 statt.

32 Alkoholische Gärung Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose zu Ethanol abgebaut: Glucose + 2 P i + 2 ADP + 2H + 2 Ethanol + 2 CO ATP + 2 H 2 O In Hefe und anderen Mikroorganismen werden die Reaktionen durch die Enzyme Pyruvat-Decarboxylase (Coenzym Thiaminpyrophosphat) und Alkohol-Dehydrogenase katalysiert

33 Der Prozess dient der Regeneration des Coenzyms NAD+, das in der Glykolyse zu NADH/H+ reduziert wurde

34 Essigsäuregärung Die Essigsäuregärung ist ein Spezialfall der alkoholischen Gärung und im engeren Sinn keine Gärung, da sie nur in Anwesenheit von O 2 abläuft. Sie wird von Acetobacter-Arten ausgeführt, die Ethanol zu Essigsäure oxidieren und dabei NADH/H + aus NAD + gewinnen.

35 Milchsäuregärung Dieser Prozess läuft in vielen Mikroorganismen, allerdings auch bei höheren Organismen unter anaeroben Bedingungen ab ( Muskel) Das beteiligte Enzym ist die Lactat-Dehydrogenase. Die Nettogleichung der Milchsäuregärung lautet dabei: Glucose + 2 P i + 2 ADP 2 Lactat + 2 ATP + 2 H 2 O

36 Aerobe Regeneration Unter anaeroben Bedingungen erfolgt die Umwandlung von Glucose in Lactat bzw. Ethanol nur unter teilweiser Energiegewinnung (Gewinn: 2 ATP / Glucose) Unter aeroben Bedingungen ist die Energieausbeute deutlich höher (30-38 ATP / Glucose). Dieser effiziente Prozess verläuft über die Teilschritte Pyruvatdecarboxylierung, Citratcyclus, Atmungskette und Endoxidation. Die aeroben Prozesse erfordern eine Vielzahl von Enzymen und Coenzymen und finden in verschiedenen Kompartimenten der Zelle statt..

37 Gluconeogenese Die Gluconeogenese bezeichnet die Synthese von Glucose aus Molekülen, die nicht zur Gruppe der Kohlenhydrate gehören. Die Gluconeogenese läuft hauptsächlich in der Leber und den Nieren ab. Mögliche Vorläufer-Moleküle sind: Lactat, Pyruvat (aus Glykolyse), Glycerin Aminosäuren außer Leucin und Isoleucin Zwischenstufen des Citratzyklus (Fumarat, Malat, ) Fettsäuren können nicht in Glucose umgewandelt werden!!! Aus Acetyl-CoA können lediglich Ketonkörper, aber keine Glucose synthetisiert werden.

38 Warum ist die Gluconeogenese wichtig? Der tägliche Glucosebedarf eines Erwachsenen beträgt ca. 160 g. Bestimmte Organe wie z.b. das Gehirn und die Erythrocyten können nur Glucose als Brennstoff verwerten Aus diesem Grund wird Energie in Form von ATP investiert, um den Organismus im Falle von Nahrungskarenz am Leben zu erhalten.

39 Ablauf der Gluconeogenese Vereinfacht betrachtet handelt es sich um eine Umkehr der Glycolyse. ABER: Drei Reaktionen der Glycolyse sind aus thermodynamischen Gründen irreversibel (!) : Hexokinase: Glucose + ATP Glucose-6-Phosphat +ADP Phosphofructokinase I: Fructose-6-Phosphat +ATP Fructose-1,6-Bisphosphat + ADP Pyruvatkinase: Phosphoenolpyruvat + ADP Pyruvat + ATP Aus diesem Grund werden die Rückreaktionen im Zuge der Gluconeogenese von anderen Enzymen katalysiert.

40 Vergleich: Glycolyse & Gluconeogenese

41 Lokalisation Die Enzyme der Gluconeogenese sind im Cytosol lokalisiert Ausnahmen sind Pyruvat-Carboxylase: Mitochondrien Glucose-6-Phosphatase: ER

42 Vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat

43 Der Schritt ist eine Rückreaktion einer stark exergonen Reaktion, d.h. es wird freie Enthalpie benötigt. Um die benötigte freie Enthalpie zu liefern, wird durch Decarboxylierung ein energiereiches Zwischenprodukt, das Oxalacetat gebildet. Für die Decarboxylierung wird Biotin als Coenzym benötigt.

44 Malat-Shuttle

45 Bildung von Fructose-6-Phosphat Im Folgenden werden die Reaktionen der Glycolyse in entgegengesetzter Richtung bis zur Bildung von Fructose-1,6-Bisphosphat durchlaufen. Die Fructose-Bisphosphatase spaltet den an C 1 - gebundenen Orthohosphat-Rest hydrolytisch ab. Produkt dieser irreversiblen Reaktion ist Fructose- 6-Phsophat.

46 Bildung von freier Glucose Fructose-6-Phosphat kann leicht in Glucose-6-Phosphat isomerisiert werden. Letztere ist das Enprodukt der Gluconeognese in den meisten Geweben. Die Bildung von freier Glucose wird auf zwei Wegen kontrolliert: Regulation der Glucose-6-Phosphatase Glucose-6-Phosphatase findet man nur in Geweben, die Glucose an das Blut abgeben (Leber, in geringem Ausmaß auch die Nieren) Homöostase des Blutglucosespiegels Die Bildung von freier Glucose findet nicht im Cytosol statt. Das Glucose-6-Phosphat wird in das Lumen des ER transportiert, wo es durch die membranständige Glucose-6- Phosphatase hydrolysiert wird. Die Produkte werden durch Transporter wieder ins Cytosol gebracht.

47 Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese

48 Kooperation zwischen Glycolyse und Gluconeogenese