Energiegewinnung aus Nahrungsbestandteilen

Fett Kohlenhydrate PROTEIN

Fettsäuren undGlycerol

Glucose undandere Zucker

Aminosäuren

Acetyl CoA

CitratZyklus

StadiumI

StadiumII

StadiumIII

CoA

2 CO2

e -O2

ATP ADP

Oxidative Phosphorylierung

Stadien des Katabolismus II. Komplexe Biomoleküle Proteine Polysaccharide Lipide

Aminosäuren Glucose Fettsäuren,Glycerol

Hexosen

GlykolyseGlycerinaldehyd-3-P

Pyruvat

Acetyl-CoA

II. Monomere Bausteine

III. GemeinsamesZwischenprodukt

Stadien des Katabolismus IIIII. GemeinsamesZwischenprodukt

Acetyl-CoA

Oxidative Phosphorylierung

NH3 CO2Einfache

EndprodukteH2O

CitratZyklus

CO2

Allgemeine Aspekte zu Stoffwechsewegen

1. Organisationsprinzipien2. Kontrollierter Verlauf und

Regulationsmechanismen

Organisation von Stoffwechselwegen

Linear(Reaktionsprodukte sind

Substrate für die folgenden Reaktionen)

Beispiel: Synthese von Serin

Zyklisch(Intermediate werden recycled)

Beispiel: Citratcyklus

Spirale(Enzymkomplexe werdenwiederholt durchlaufen)Beispiel: Fettsäuresynthese

Stoffwechselwege verlaufenin geordneten Schritten

•Die Enzymspezifität bestimmt den Verlauf der Stoffwechselwege.

•Erlaubt eine gute Bilanzierung der zu gewinnenden Energieäquivalente, da diese schrittweise gewonnen werden(ATP, NADH).

•Erlaubt die Etablierung von Kontrollpunkten zur Regulation.

•Erlaubt die Interaktion mit anderen Stoffwechselwegen.

G = Gibbs´sche freie Energie = Freie Enthalpie H = Enthalpie („Wärmetönung“)

T = Temperatur S = Entropie („Ordnungszustand des Systems“)

∆H < 0 - exotherm - Wärmeabgabe ∆H > 0 – endotherm - Wärmeufnahme

∆G = ∆H - T∆S

∆G < 0 - spontan, exergon ∆G > 0 – nicht spontan, endergon

A + B <-> C + D

K = --------[C][D][A][B]

∆G = ∆G0 + RT ln K

Welche Faktoren bestimmen die Richtung einer chemischen Reaktion ?

1000-17,1100-11,410-5,710

0,1+5,70,01+11,4

0,001+17,1Keq∆G0 (kJ mol-1)

R = GaskonstanteT = Temperatur

Aerobe Glykolyse

• In allen Zellen, die eine gute Sauerstoffversorgung besitzen, um Pyruvat und NADH oxidativ zu CO2und H2O abzubauen.

• Durch den oxidativen Abbau von Glucose werden mehr als 30 Moleküle ATP erzeugt, gegenüber 2 Molekülen bei der anaeroben Glykolyse.

Anaerobe Glykolyse• In Erythrozyten• In Zellen unter Bedingung einer

unzureichenden Sauerstoffversorgung, z.B. bei Hypoxie und in der Muskulatur bei der initialen Phase der Muskelarbeit oder bei Überanstrengung.

• Da NAD+ als Elektronenakzeptor in den Zellen nur in sehr geringer Konzentration vorhanden ist, muß es für den reibungslosen Fortgang der Glykolyse regeneriert werden. Dies geschieht durch die Reduktion von Pyruvat zu Lactat.

• Lactat kann bei besserer Sauerstoffversorgung der Zelle oxidativ weiterverwertet werden oder wird aus der Zelle in das Blut ausgeschleust. Dies erklärt den diagnostischen Wert des Blutlactats im Leistungssport.

Alkoholische Gärung

• Wo? In Hefen• Pyruvat wird hierbei im

ersten Schritt durch die Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd umgesetzt.

• Acetaldehyd wird durch die Alkohol-Dehydrogenase unter Verbrauch von NADH zu Alkohol reduziert.

• Hemmstoffe der Glykolyse wie z.B. Natriumfluorid hemmen daher auch die alkoholische Gärung

CH3COCOO- + H+ → CH3CHO + CO2

Pyruvat-Decarboxylase

CH3CHO + NADH + H+ →

CH3CH2OH + NAD+

Alkohol-Dehydrogenase

Bevor es in die Details der Glykolysereaktionen geht, sollen 2

Moleküle vorgestellt werden, die für die Bilanzierung des Stoffwechselwegs eine

wichtige Rolle spielen

1. ATP„Energiewährung“

2. NAD(P)HElektronendonor bzw. -akzeptor

ATPAdenosin-5’-Triphosphat

• ATP ist die “Energiewährung” der Zelle

• In Säugetierzellen wird ATP durchkatabole Stoffwechselschritteerzeugt, welche die energieverbrauchenden Aktivitäten der Zellen ermöglichen:

- Biosynthesen- Transportvorgänge- molekulare Motoren

(Muskel, Zellteilung)• Chemisch ist ATP ein

Phosphorsäureanhydrid• Hoher negativer G0 Wert nach

Hydrolyse der Phosphorsäureanhydridbindungen

Nicotinamid Coenzyme

Pyridinnucleotide• Diese Coenzyme sind Überträger und Akzeptoren von

2 Elektronen• Sie übertragen ein Hydridanion (H-) von bzw. auf

Substrate– Beispiel: NADH liefert H:- für die Reduktion von Pyruvat zu

Lactat

• Es gibt 2 wichtige Coenzyme in dieser Klasse: 1. Nicotinamid-Adenine-Dinucleotid (NAD+) 2. Nicotinamid-Adenine-Dinucleotid-Phosphat

(NADP+)

NAD(P)+ and NAD(P)HNicotinamid

(oxidiert)Nicotinamid(reduziert)

Übersicht Glykolyse 1

1. InvestmentPhase

(ATP Verbrauch)

2. SplittingPhase

(C6 → 2 C3)

ÜbersichtGlykolyse 2

3. GewinnPhase

(Substratketten-phosphorylierung)

Glykolyse –Hexokinase/Glucokinase

• Die Phosphorylierung von Glucose an C-6 geschieht unter Verbrauch von ATP = Investment für die Einleitung der „Substratkettenphosphorylierung“.

• Die Hexokinase (HK) ist in allen Zellen des Organismus nachweisbar.

• In der Leber und den insulinsezernierenden Beta-Zellen des Pankreas wird D-Glucose durch die Glucokinase (GK) phosphoryliert. Die Glucokinase besitzt im Gegensatz zur Hexokinase eine niedrige Affinität für Glucose (Km GK 10 mM vs. HK 50 µM) und wird nicht durch das Produkt Glucose-6-phosphat gehemmt.

Vergleich Hexokinase - GlucokinaseHexokinase

1. In allen Körperzellen vorhanden

2. Km Glucose 0,1 mM= hohe Substrataffinität

3. Produkthemmung durch Glucose-6-phosphat

4. Michaelis-Menten Kinetik5. Keine Regulation durch Hormone6. Einschleusung von Glucose in den

Stoffwechsel ist unabhängig von den physiologischen Glucosekonzentrationen (Enzym arbeitet im Bereich der Substratsättigung)

Glucokinase1. Nur in der Leber und den Beta-

Zellen des Pankreas vorhanden2. Km Glucose 10 mM

= niedrige Substrataffinität3. Keine Produkthemmung durch

Glucose-6-phosphat4. Sigmoidale Reaktionskinetik5. Induktion durch Insulin,

Repression durch Glucagon in der Leber

6. Einschleusung von Glucose in den Stoffwechsel ist abhängig von den physiologischen Glucosekonzentrationen (Steuerung der Glucoseverwertung in der Leber!)

Allosterische Regulation der Hexokinase

• Das Substrat (Glucose) bindet über eine Konformationsänderung des Enzyms (“Induced Fit”)– verhindert ATPase Aktivität in

Abwesenheit des Substrats

• Die Hexokinase wird reguliert– Allosterische Produkthemmung durch

Glucose-6-Phosphat– Diese allosterische Hemmung spielt

keine entscheidende Rolle für die Regulation des glykolytischen Stoffwechselwegs

Glucose-6-phosphat spielt eine zentrale Rolle im Glucosemetabolismus

Glykolyse

Glykogen

Glucuronat Synthese vonkomplexenKohlenhydraten

Energiespeicherin Leber & Muskel

Glucose-6-phosphat

PentosePhosphatPathway

NADPH &4-C, 5-C, & 7-C Zucker

Glucose

Fructose-6-phosphat

Glucose-1-phosphat

Glucosamine-6-phosphat

PhosphoglucoisomeraseGlucose-6-P zu Fructose-6-P

• Warum ist diese Reaktion notwendig?– Der nächste Reaktionsschritt (Phosphorylierung

an C-1) verläuft energetisch ungünstig an einem Halbazetal -OH, jedoch sehr günstig an einer primären -OH Gruppe

– Die Isomerisierung aktiviert C-3 für die Spaltung in der Aldolase Reaktion

• Ene-diol Intermediat: —C=CH| |

HO OH

Phosphoglucoisomerase

-2O3POCH2 O CH2OH

OHOH

HOHH

HHO

CH2OPO3 2-

OH

OH

OH

O

G6P F6PCH2OP-O3 2-

C1

H-C-OH

H-C-OH

H-C-OH

HO-C-H

O H

CH2OP-O3 2-

H-C-OH

C = O

H-C-OH

H-C-OH

HO-C-H

H

AldehydKetogruppe

Phosphofructokinase Typ 1PFK-1 = der zentrale Schritt der Glykolyse!

• Die zweite Priming Reaktion der Glykolyse

• Zentraler Reaktionsschritt und hohes -∆G – PFK zeigt eine ausgeprägte Regulation!

• ATP inhibiert, AMP hebt die Inhibierung auf• Citrat ist ein allosterischer Inhibitor • Fructose-2,6-bisphosphate ist ein allosterischer

Aktivator Merkschema:

• PFK Aktivitätsstatus ist hoch, wenn der Energiestatus der Zelle niedrig ist (ATP Mangel!)Aktivitätsstatus ist niedrig, wenn der Energiestatusder Zelle hoch ist (hohe ATP Spiegel!)

PFK-1 Reaktion

+ ATP + ADPPFK

Mg2+

Fructose-6-phosphat Fructose-1,6-bisphosphat

Hohe negative freie Energie, wirkt als Schrittmacher des Glykolysestoffwechselwegs!

∆Gº´ = -14.2 kJ/mol

∆Gerythrocyte = -18.8 kJ/mol

ADP F-6-P

PFK

Fructose 2,6-bisphosphatEin starker Aktivator der Phosphofructokinase-1

Stimuliert durchFructose 6-phosphat

• Generiert durch die PFK Typ 2,ein bifunktionelles Enzym– Fructose-2,6-Kinase– Fructose-2,6-Bisphosphatase

NiedrigerBlutzucker

Gehemmt durchFructose 6-phosphat

Fructose 6-phosphat Fructose 2,6-bisphosphat

Phosphoryliertes Enzym

Dephosphoryliertes Enzym

+

Via cAMP

2-O3POH2C

HO

OH

CH2OH

OPO32-

H

H

H

O

Fructose 2,6-bisphosphat(F-2,6-P)

Regulatory domain

+H3N– –COO-Kinase domain Phosphatase domain

1 32 250 470Phosphofructokinase Typ 2

Achtung bei MC-Fragen: Dieses Enzym ist nicht identisch mit der PFK-1 in der Glykolyse

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

Regulation der PFKFructose-2,6-bisphosphat als Stimulator der Enzymaktivität

Enz

ymak

tivi

tät

[F-6-P] [ATP] (µM) [F-6-P] (µM)

[ATP] niedrig

[ATP] hoch

1.0 µM F-2,6-BP

0.1 µM

0

1.0 µM F-2,6-BP

0.1 µM

0

Negative Regulation durch ATP

Stimulation durch Fructose-2,6-P in Abhängigkeit von ATP

Stimulation durch Fructose-2,6-P in Abhängigkeit von F-6-P

Aldolase – Vorraussetzung für die (reverse) Aldolkondensation 1

• In dieser Reaktion kondensieren ein Aldehyd und ein Keton zu einem Aldol

• Die Reaktion ist energetisch reversibel und kann daher als Kondensation oder Splitting verlaufen

• Durch ein Aldolsplitting wird der C-6 Körper der Glucose in 2 C3-Körper gesplittet, die für die Netto-Energiegewinnung der Glykolyse von entscheidender Bedeutung sind

Glykolyse – Vorraussetzung für die (reverse) Aldolkondensation 2

• Glucose-6-phosphat besitzt nicht die Voraussetzung für ein Aldolsplitting.

• Hierzu ist die Umwandlung in Fructose-6-phosphat, einem Keton, notwendig.

• Diese Umwandlung wird durch die Phosphoglucose-Isomerase katalysiert.

AldolaseC6 (F-1,6-BP) zu 2 C3 (DHAP & Gly-3-P)

• Klasse I Aldolasen (in Säugetieren) bilden kovalente Schiff’sche Basen-Intermediate zwischen dem Substratund einer Lysinseitengruppe im aktiven Zentrum des Enzyms aus

Fructose bisphosphat

aldolaseAldolspaltung

D-Fructose-1,6-bisphosphat(FBP)

DihydroxyacetonPhosphat (DHAP)

D-Glyceraldehyd3-phosphat (G-3-P)

+

AldolasereaktionFormation einer Schiff’schen Base

E-NH2 + + H+ + H2OCH2OPO3

2-

O=CCH2OH

E-N=CH

CH2OPO32-

CH2OH

DHAP

E-N=CCH2OPO3

2-

H-C-OH

H+

H

H+ CH2OPO32-

E-N = CH-C-O

-

+ H+

Enolat Anion

C=OH

H-C-OHCH2OPO3

2-

δ+ δ-

Glyceraldehyd3-phosphat

Schiff’sche Base

+

Glykolyse – Übersicht Aldolsplitting

• Bevor es durch die Aldolase zu einem Aldolsplitting kommt wird durch die Phosphofructokinase Fructose-6-phosphat in der C1 Position durch die Phosphofructokinase zu Fructose-1,6-bisphosphat unter Verbrauch von ATP phosphoryliert.

• Dieser zweite Phosphorylierungsschritt ist notwendig, da die Nettosyntheseschritte von ATP (also die positive Enegiebilanz der Glykolyse) 2 phosphorylierte C-3 Körper in den nachfolgenden Reaktionen erfordert.

Interconversion von Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat durch die

Triosephosphat-Isomerase• Vom energetischen Aspekt

der enzymatischen Reaktion sind beide Moleküle im Equilibrium.

• Da durch die folgende Reaktion Glycerinaldehyd-3-phosphat kontinuierlich verbraucht wird, findet in der Glykolyse eine Konversion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat statt.

Triosephosphat IsomeraseDHAP zu Gly-3-P

• En-diol Reaktionsmechanismus• Glutamat-Seitengruppe im aktiven Zentrum wirkt als

Base • Unter physiologische Bedingungen wird nahezu die

maximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht (“Diffusion Controlled”)

Triosephosphat IsomeraseReaktionsmechanismus

GlykolyseGlycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase - Generierung eines energiereichen Substrats zur Gewinnung von ATP durch

die 3-Phosphoglycerat-Kinase

Glycerinaldehyd-3-phosphat-DehydrogenaseMechanismus der Katalyse

• Eine Cysteinseitengruppe des Enzyms bildet mit der Aldehydgruppe des G-3-P ein Halbazetal.

• Der Enzym-Substrat Komplex wird nun oxidiert wobei die Elektronen auf NAD+

übertragen werden und ein Thioester entsteht.

• Der energiereiche Thioester kann mit anorganischem Phosphat 1,3 Bisphosphoglycerat bilden, wobei das Cystein des Enzyms regeneriert wird.

Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase

C

HCOH

OH

+ NAD+ + HPO42- HCOH + NADH + H+

G-3-P 1,3-BPG∆Gº´ = +6.3 kJ/mol

2 wichtige Anmerkungen zu dieser Glykolysereaktion:1. Es entsteht mit 1,3-Bisphosphoglycerat eine Vebindung mit hohem

Gruppenübertragungspotential, die in der folgenden Reaktion zur ATP Generierung genutzt wird .

2. Die Reaktion ist vom energetischen Aspekt her reversibel und kann auch in der Glucoseneubildung aus Pyruvat durchlaufen werden.

Glykolyse- Substratkettenphosphorylierung durch die 3-Phosphoglycerat-Kinase

• Der Begriff „Substratkettenphosphorylierung“ bedeutet, dass die energiereiche Phosphatgruppe, die auf ADP übertragen wird, von dem „Substrat“ 1,3-Bisphosphoglycerat stammt.

• Das Enzym heißt Phosphogyceratkinase, weil Kinasen immer aus der Sicht der ATP Reaktion, also dem Substrat das phosphoryliert wird, benannt werden.

3-Phosphoglycerat-Kinase1,3-Bisphosphoglycerat zu 3-Phosphoglycerat

• “Substratkettenphosphorylierung" – ATP Synthese von einem hochenergetischen Phosphat =

Freie Energie für die Hydrolyse der C-1 Phosphatgruppe des 1,3-BPG beträgt 49.4kJ/mol !

1,3-BPG 3-PG

ADP

Glykolyse –Phosphoglycerat-Mutase

• Die C-3 Phosphatgruppe des 3-Phosphoglycerats ist nicht energiereich genug für eine weitere „Substratkettenphosphorylierung“ von ADP.

• Die enzymatische Umwandlung zu 2-Phosphogycerat erlaubt in dem nächsten Schritt die Bildung einer energiereicheren Phosphatgruppe

Glykolyse – Die letzten Schritte zur Bildung von Pyruvat

• Durch die Enolase wird ein Wassermolekül entfernt, so dass Phosphoenolpyruvat, ein substituiertes „Enol“ entsteht.

• Die Enolase wird sehr effektiv durch Natriumfluorid gehemmt.

• Mit einer freien Energie von – 62,3 kJ/mol für die Hydrolyse der Phosphatgruppe ist eine Übertragung auf ADP möglich. Dies geschieht durch die Pyruvatkinase unter Bildung von Pyruvat.

• Die Pyruvatkinase-Reaktion ist irreversibel (? Go – 31,4 kJ/mol).

Enolase2-Phosphoglycerat zu Phosphoenolpyruvat

• ∆G beträgt 1.8 kJ/mol • "Energiegehalt" von 2-PG und PEP ist

vergleichbar • Die Enolasereaktion überführt 2-PG in

eine Form von der mehr Energie durchHydrolyse gewonnen werden kann (für die Generierung von ATP)

Enolase

2-PG PEP∆Gº´ = +1.8 kJ/mol

Pyruvat KinasePEP zu Pyruvat generiert ATP

• 2 ATP (pro Glucosemolekül) in dieser Reaktion sind der “Nettogewinn" der Glykolyse

• Hoher, negativer ∆G Wertà Regulation! • Allosterische Aktivierung durch

AMP & F-1,6-bisP• Allosterische Hemmung durch

ATP & Acetyl-CoA • Pyruvat zeigt eine Keto-Enol Tautomerisierung

Pyruvatkinase

PEP ∆Gº´ = -31.7 kJ/mol Pyruvat

Der hohe -∆G Wert ist durch die Enol-Keto Umwandlung von Enolpyruvat zu Pyruvat verursacht.

Tautomere Formen von Pyruvat

Enol Keto

Glykolyse – Welche Reaktionen verlaufen irreversibel ?

1. Hexokinase2. Phosphofructokinase3. Pyruvatkinase• Diese Reaktionen müssen bei der

Glucoseneubildung (Gluconeogenese) durch andere (z.T. ATP-verbrauchende) Reaktionswege umgangen werden.

Glykolyse:Freie Energien

und Konzentrationen der Metabolite

Die mit blauen Pfeilen gekennzeichneten Reaktionen zeigen stark negative rG Werte und sind unter physiologischen Bedingungen nicht reversibel

Glykolyse –Nettobilanz der ATP Generierung• Hexokinase - 1 ATP• Phosphofructokinase - 1 ATP• 3-Phosphoglyceratkinase + 2 ATP• Pyruvatkinase + 2 ATP

• Nettogewinn 2 ATP MoleküleAlle Werte sind auf 1 Glucosemolekül bezogen

Energiewerte der Glykolyse∆Gº´ und ∆G sind nicht identisch !

Fre

e en

ergy

, kJ

/mol

Glykolyseschritte

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LDH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 LDH

40

0

20

-40

-20

∆Gº´ ∆G in Zellen

Aldolase 3-Phosphoglycerat-Kinase

Glucose

G6P

F6P

FBP

G3P

DHAP

BPG

3PG

2PG

PEP

2 Pyruvat

Mannose

Mannose-6-P

Galactose

Galactose-1-P

UDP-Gal

UDP-GlucoseGlucose-1-P

Fructose

Glyceraldehyde Triosekinase

Aldolase

Wie werden die Hexosen Galactose, Fructose und Mannosein die Glykolyse eingeschleust ?

Glucose G6P

F6P

FBP

G3P

BPG

3PG

2PG

PEP

ATP ADP

ATP

ADP

ATP Verbrauch

DHAP

Pi

NADHProduktion

2 ADP2 ATP

2 NAD+

2 NADH + H+

2 ADP2 ATP

2 Pyruvat

ATP Produktion

2 Lactat

2NADH+ H+ NAD+

NADHVerbrauch

Wo und wie wird die Glykolyse reguliert ?

1. HexokinaseAllosterische Produkthemmung durchGlucose-6-phosphat (Anhäufung bei Hemmung der PFK-1)

2. Phosphofructokinase Typ 1 (PFK-1)Allosterische Aktivierung durch AMP, ADP und Fructose-2,6-bisphosphatAllosterische Hemmung durch ATP und Citrat

3. PyruvatkinaseAllosterische Aktivierung durchFructose-1,6-bisphosphat („Feed-Forward“ Aktivierung)

Der Energiestatus der Zelle ist unabhängig von der hormonellen Regulation der sensitivste Parameter für die Regulation der Glykolyse.

Niedriger Energiestatus = Aktivierung der SchlüsselenzymeHoher Energiestatus = Hemmung der Schlüsselenzyme

Regulatoren glykolytischer Enzyme

Wichtig für Physikumsfragen:Glucose ist kein direkter (allosterischer) Regulator der Glykolyse.

Enzymdefekte Glykolyse1. Phosphoglucose Isomerase

(Glucose-6-phosphat-Isomerase-Defekt)2. Pyruvatkinase• Betroffenes Organ: Erythrozyten• Folge: Verkürzung der Lebenszeit

enzymopathische hämolytische Anämie= Blutarmut

• Symptome: Blässe, körperliche SchwächeMilzvergrösserung (Abbauort der zerstörten Erythrozyten)

Glucose-6-phosphat-Isomerase-Defekt

Pyruvatkinase-Defekt

Verminderte allosterische Aktivierung durch Fructose-1,6-bisphosphat= unzureichende Feed-Forward Aktivierung der Pyruvatkinase

Hemmstoffe der Glykolyse mit Relevanz für die Klinik

1. Arsen → Toxikologie• ähnliche chemische Eigenschaften wie Phosphat• bildet in der Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase

Reaktion 1-Arseno-3-phosphoglycerat, welches instabil ist und durch Hydrolyse zerfällt. Es wird daher kein ATP gebildet!

• Arsen ist daher ein Entkoppler der ATP-Generierung in der Glykolyse

2. Natrium-Fluorid → Klinische Analytik• Hemmt kompetitiv die Enolase-Reaktion der Glykolyse• Da Natrium-Fluorid ein kostengünstiges Reagenz ist,

wird es eingesetzt um die Glykolyse in Blutproben zur Glucosebestimmung zu hemmen.