9. Abbau der Glukose zum Pyruvat 236
9.1. Übersicht: Abbau von Glucose Pentosephosphate Pathway (PPP) NADP + NADPH Glucose Glycolysis Oxidative Phosphorylation PDH Complex Citric Acid Citric Acid Cycle Cycle Homolactic Fermentation Alcoholic Fermentation Presence of O 2 (aerobic) Absence of O 2 (anaerobic) 237
9.2. Glycolyse Hauptabbauweg der Glucose in (fast) allen Organismen Zweck: Gewinnung von ATP und NADH Gesamtreaktion: -I C ±0C ±0 C C C ±0 ±0 C+1 S Oxidationstufen der C-Atome: -I + 4 (±0) + -I = ±0 Glucose 2 NAD + 2 NADH -III +III Pyruvat C C C +II S Oxidationstufen der C-Atome: 2 (-III + +II + +III ) = +IV 2 ADP + 2 2 ATP P i (inorganic phosphate) Beim Abbau der Glucose in der Glycolyse werden den C-Atomen durch NAD + 4 Elektronen entzogen 238
9.2.1. Einzelreaktionen der Glycolyse 239
Die Glycolyse ist ein Beispiel für Substratkettenphosphorylierung: der schrittweise Abbau/Umbau eines organischen Moleküls wird gekoppelt mit der Bildung eines phosphorylierten Zwischenprodukts, das in der Lage ist, ADP zu ATP zu phosphorylieren Ablauf und Zweck der Reaktionsschritte in der Glycolyse Schritt 1: Hexokinase Reaktion Festhalten der Glucose im Cytosol Schritt 2: Phosphoglucomutase (PGM) Reaktion Umgestaltung des C 6 -Molekülgerüsts, um in Schritt 4 die Spaltung in zwei C 3 -Moleküle zu ermöglichen Schritt 3: Phosphofruktokinase (PFK) Reaktion Einführung einer zweiten negativ geladenen Gruppe, um die Spaltung des Molekülgerüsts in Schritt 4 zu begünstigen Schritt 4 & 5: Aldolase Reaktion und Triosephosphatisomerase (TIM) Reaktion: Erzeugung von 2 identischen Aldehyden, die in Schritt 6 oxidiert werden können 240
Reaktion 1: Hexokinase (HK) 241
Kinase Substrat: ATP-Mg 2+ -Komplex 242
Reaktion 2: Phosphoglucoisomerase (PGI) 243
PGI Reaktion: Säure-Base Katalyse B + = ε-nh 3+ -Gruppe von K B = Imidazol-Gruppe von H 244
Reaktion 3: Phosphofructokinase (PFK) 245
Reaktion 4: Aldolase 246
Mechanismus der Aldolase Reaktion Säure-Base Katalyse durch b-carboxylatgruppe von D-Rest im aktiven Zentrum -COO - + H + -COOH 247
Reaktion 5: Triosephosphatisomerase (TIM) 248
Zwischenbilanz der Glykolyse nach Ablauf der Schritte 1-5: Energie: -2 ATP Elektronen: ±0 NADH C-Atome in GAP auf gleicher Oxid.stufe wie Glucose Schritt 6: Glycerinaldehydphosphat Dehydrogenase (GAPDH) Reaktion Oxidation der Aldehydgruppe mit gleichzeitiger Phosphorylierung der entstandenen Carbonsäure Bildung von NADH Bildung eines energiereichen Phosphoanhydrids (ohne ATP Verbrauch!) Warum ist es in der GAPDH Reaktion thermodynamisch möglich, dass eine energiereiche Phosphorylverbindung entsteht? Oxidation eines Aldehyds zur Carbonsäure mittels NAD + liefert DG -50 kj/mol Die Bildung eines Phosphoanhydrids aus Carbonsäure und Phosphat benötigt DG +50 kj/mol die Oxidation liefert gerade genug Energie für die Phosphorylierung Wie wird es mechanistisch ermöglicht Oxidation und Phosphorylierung zu koppeln? siehe Folie 252 249
Reaktion 6: Glycerinaldehyd-3-phosphate Dehydrogenase (GAPDH) 250
GAPDH: Katalysemechanismus 251
Schritt 7: Phosphoglyceratkinase (PGK) Reaktion Nutzung der energiereichen Phosphoanhydrid-Bindung zur ATP Synthese Zwischenbilanz der Glycolyse nach Ablauf der Schritte 1-7: Energie: ± 0 ATP Elektronen: + 2 NADH (pro Molekül Glucose) C-Atome im 3PG sind auf der gleichen Oxid.stufe wie Pyruvat die verbleibenden Schritte der Glykolyse enthalten keine weitere Oxidation des C-Gerüsts Die Phosphorylgruppe im 3PG ist nicht energiereich genug, um ADP zu phosphorylieren (Hydrolyse DG -10 kj/mol). Warum ist es trotzdem möglich, dass 2 ATP in der Glycolyse gewonnen werden? Schritt 8: Phosphoglycerat Mutase Reaktion Verlagerung der Phosphorylgruppe auf das mittlere C-Atom, um Bildung des Phosphoenolpyruvats (enthält sehr energiereiche Phosphorylgruppe!) vorzubereiten 252
Reaktion 7: Phosphoglyceratkinase (PGK) 253
Reaktion 8: Phosphoglyceratmutase (PGM) 254
PGM: Katalysemechanismus 255
Schritt 9: Enolase Reaktion Bildung des energiearmen H 2 O Moleküls und Entropiegewinn durch Molekülspaltung wird zur Ausbildung einer energiereichen C=C Doppelbindung genutzt Schritt 10: Pyruvatkinase (PK) Reaktion Die extrem energiereiche Phosphorylgruppe des Phosphoenolpyruvats (PEP) wird zur ATP Bildung genutzt Warum ist die Phosphorylgruppe im PEP so extrem energiereich? Durch Keto-Enol Tautomerie wird die Enol-Gruppe C C O H in die wesentlich energieärmere Ketogruppe H C C O umgewandelt (C=C Bindungen sind energiereicher als C=O Bindungen) 256
Reaktion 9: Enolase 257
Reaktion 10: Pyruvatkinase (PK) 258
Ablauf der Pyruvatkinase Reaktion 259
Energiebilanz der Pyruvatkinase Reaktion 260
9.3. Pentosephosphat Weg (Pentosephosphat Pathway = PPP) Zweck: Gewinnung von NADPH (für anabole Redoxreaktionen) Bereitstellung von Ribose-5-Phosphat für Biosynthese von Nukleotiden Bereitstellung von Erythrose-4-Phosphat für Biosynthese aromatischer Aminosäuren Warum wird NAD + /NADH für katabole und NADP + /NADPH für anabiole Redoxreaktionen verwendet? Zelluläre Konzentrationsverhältnisse der Redox-Cofaktoren: [NAD + ] 1000 [NADH] [NADP + ] 0.01 [NADPH] das NAD + /NADH System ist relativ elektronenarm und fungiert daher vorwiegend als Oxidationsmittel das NADP + /NADPH System ist relativ elektronenreich und fungiertt daher vorwiegend als Reduktionsmittel 261
9.3. Pentosephosphat Weg (Pentosephosphat Pathway = PPP) Gesamtreaktion des PPP: S Oxidationstufen der C-Atome = ±0 6 NADP + 6 NADPH +I ±0 +IV S Oxidationstufen der C-Atome: Fructose-6- phosphat -I Glycerinaldehyd- 3-phosphat 2 (±0) + ±0 + 3 (+IV) = +XII 262
Verknüpfung von PPP und Glycolyse 263
9.3.1. Einzelreraktionen des PPP Oxidative Phase Nicht-oxidative Phase 264
1. Hälfte des PPP: die oxidative Phase Die PPP Endprodukte NADPH und CO 2 werden gebildet Ribulose-5-phosphat (C5-Körper) dient als Ausgangssubstrat für 2. Hälfte des Gesamtreaktion der oxidativen Phase: 3 Glucose-6-phosphat + 3 H 2 O 6 NADP + 6 NADPH 3 Ribulose-5-phosphat + 3 CO 2 + 6 H + NADPH-Bildung ist mit CO 2 -Abspaltung gekoppelt = oxidative Decarboxylierung Mechanismus: nach Oxidation durch NADP + entsteht ein Zwischenprodukt, das instabil ist, da CO 2 Abspaltung aus b-ketocarbonsäuren nur eine geringe Aktivierungsenergie aufweist (Mesomeriestabilisierung des Übergangszustands) Keto-Enol Tautomerie Übergangszustand Carbanion Mesomerie Enolat 265
6-Phosphogluconatdehydrogenase Reaktion instabil (β-ketocarbonsäure!) 266
2. Hälfte des PPP: die nicht-oxidative Phase Die PPP Endprodukte Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat werden gebildet Umbau des C5 Körpers Ribulose-5-phosphat (Endproduct der oxidativen Phase) in C6 Körper (Fructose-6-phosphate) und C3 Körper (GAP), die in Glycolyse unter Gewinnung von ATP und NAD + abgebaut werden können Umbau der Molekülgerüste wird durch Transaldolasen und Transketolasen katalysiert (gekoppelte Aldol-/Ketolspaltung und Aldol-/Ketoladdition) C-Körper der nicht-oxidativen Phase können als Grundgerüste für andere Biosynthesen dienen (z. B. Ribose-5-phosphat, Erythrose-4-phosphat) Gesamtreaktion der nicht-oxidativen Phase: 3 Ribulose-5-phosphat (3x C5 = 15 C-Atome) 2 Fructose-6-phosphat (2x C6 = 12 C-Atome) + Glycerinaldehyd-3-phosphat (1x C3 = 3 C-Atome) 267
9.4. Regulation von Stoffwechselwegen Regulation des Metabolismus kann auf Ebene der Gene oder der durch sie codierten Enzyme erfolgen schnelle Regulation durch Veränderung der Enzymaktivität mittels allosterischer Effektoren (Aktivatoren, Inhibitoren; siehe Kapitel 4.5.) langsame Regulation durch Veränderung der Genexpression (siehe Genetik VL) Welche Enzyme eines Stoffwechselwegs werden reguliert? Das Enzym muß spezifisch für den Stoffwechselweg sein (Selektivität) eine Reaktion katalysieren, die möglichst nahe am Beginn des Stoffwechselwegs stattfindet (Effizienz) eine irreversible Reaktion (DG <<0) katalysieren (Richtung) Phosphofructokinase (PFK) ist der Hauptregulationspunkt der Glycolyse 268
Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen Standardbedingungen: Konzentration der Reaktanden ist 1 M berücksichtigt zelluläre Konzentrationen der Reaktanden ( 1 M) DG = DG 0 + R T ln K Verhältnis der Konzentrationen der Reaktanden im zellulären Gleichgewicht 269
Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen (II) DG irreversibel (stark negatives DG) vollständig reversibel (DG 0) 270