U. Albrecht BC1

Die Glycolyse (Glucose Katabolismus)

1. Übersicht über die Glykolyse

2. Reaktionschritte der Glykolyse

3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats

4. Kontrolle der Glykolyse

5. Stoffwechsel von anderen Hexosen

6. Der Pentosephosphatweg

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Gesamtübersicht Abbauweg von Glukose.

Glykolyse (glykos = süss, lyse = auflösen)

Glucose -> 2 Pyruvat

Alternativweg für Glucoseabbau =>Pentosephosphatweg

U. Albrecht BC11. Übersicht Glykolyse

Oxidationsmittel NAD++ 2 NADH -> 2ATP

NAD+ muss regeneiert werden

-2 ATPStufe I (Investition von Energie)

Stufe II (Gewinnung von Energie)+ 4 ATP

Phosphorylgruppenübertragungsreaktionen

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A. Hexokinase: Verbrauch des ersten ATP

Kinase = Enzym das Phosphorylgruppenauf Metaboliten überträgt. Name des Meta-boliten wird vorangestellt -> Hexokinase fürHexosen, Glucokinase in Leber um Blut-glucosespiegel aufrecht zu halten.Magnesium essentiell !!!

Mg2+ schirmt neg. Ladungen ab -> γ-Phosphoratom wird zugänglich für nucleophilen Angriff.

Glucose induziert Konformationsänderung der Hexokinase

2 Kieferbewegung ->ATP nähe C6 und Wasser weg -> keineHydrolyse von ATP= substratinduzierteKonformations-änderungvrgl. Adenylat-Kinase

2. Die Reaktionschritte der Glykolyse

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Schritt 1: Substrat bindetSchritt 2: Säure (ε-Aminogruppe von Lys)Schritt 3: Base (Carboxylatgruppe v. Glu) abstrahiert ProtonSchritt 4: H+ an C1 => ProtonenübertragungSchritt 5: Ringschluss

B. Glucosephosphat-Isomerase

PGI = Phosphoglucose-IsomeraseAldose wird zu KetoseRingöffnung und RingschlussSäure-Base katalysiert durch dasEnzym

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Bisphosphat und nicht diphosphat, daPhosphatgruppen getrennt.

Ähnlich der Hexokinase Reaktion (Mg2+).

PFK zentral in Glykolyse, da geschwindigkeits-Bestimmender Schritt.

AMP erhöht AktivitätATP, Citrat allosterische Hemmer (siehe später).

C. Phosphofructokinase: Verbrauch des zweiten ATP

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Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung

Enolat-Zwischenprodukt entsteht ->Resonanzstabilisiert.G6P->F6P Isomerisierung da nurF6P gleiche in sich umwandelbare C3Einheiten liefert die gleich abgebaut Werden können.2 Klassen von Aldolasen

D. Aldolase

Spaltung von FBP (1xC6) in 2 C3 EinheitenNummerierung der C Atome ändert

= Aldolspaltung

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Klasse I Aldolasen in Tieren und Pflanzen

Schritt 1: SubstratbindungSchritt 2: Reaktion der Carbonylgruppe mit ε-Aminogruppe

Bildung einer Schiffschen Base.

Schritt 3: Spaltung der C3-C4 Bindung Bildung von Enamin

Schritt 4: Protonierung des Enamins zu Iminiumkation

Schritt 5: Hydrolyse, freies Enzym regeneriert

Klasse II Aldolasen

In Pilzen, Algen und BakterienKeine Schiffsche Base sondern sondern zweiwertiges KationPolarisiert Carbonylsauerstoff -> Stabilisierung des Enolats

Klasse I Aldolasen

U. Albrecht BC1E. Triosephosphat-Isomerase (TIM)

Säure Base

Aldose Ketose

Isomerisierung wie bei G6P->F6PAldose->Ketose

Übergangszustand bindet besser anEnzym als Substrat

(Analoge zu Endiol, wie 2-PhosphoglykolatBinden besser an Enzym als Substrate)

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α/β Fass. 8 β Faltblätter und 8 α Helices

Stereoelektrische Kontrolle durch Flexible Schleife -> effektiveUmsetzung des Substrates daÜbergangszustand stabilisiert wird.

Geschwindigkeit der Assoziation vonEnzym und Substrat diffusionskon-trolliert -> Bildung des Produkts sorasch wie Aufeinandertreffen vonEnzym und Substrat -> GAP und DHAP immer im Gleichgewicht

GAP weiter Umgesetzt -> Fliessgleich-gewicht -> DHAP wird in GAP um-Gewandelt -> beide Produkte werden Im Stoffwechsel umgesetzt.

Hefe TIM im Komplex mit 2-Phosphoglykolat

GluHis

Lys

2-Phosphogkykolat

flexibleSchleife

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Übersicht 1. Stufe der Glykolyse

F. Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase: Bildung des ersten energiereichenZwischenprodukts

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Cys-SulfhydrylgruppeimAktiven Zentrum

Direkte Hydridüber-tragung

Acyl-Enzym Zwischen-produkt

Mechanistische Untersuchungen

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Schritt 1: GAP bindet an Enzym

Schritt 2: Sulfhydrylgruppe greift Aldehydgruppe an und es entsteht ein Thiohalbacetal

Schritt 3: Übertragung von Hydridionauf NAD+ -> Hemiacetal wirdzu Ester oxidiert. Thioesterhohe freie Enthalpie bei Hydrolyse -> Energie der Aldehydoxidation gespeichertin Form von NADH und Thio-ester.

Schritt 4: NAD+ verdrängt NADH

Schritt 5: Pi greift Thioester an ->Enzym wird regeneriert und1,3 BPG entsteht.

Enzymmechanismus der GAPDH

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-> und PGK

G. Phosphoglycerat-Kinase: Produktion des ersten ATP

Phosphoglycerat-Kinase PGK) 2 lappig ähnlich wie Hexokinasezusamenklappen -> wasserfreie Umgebung. HexokinaseVerschiedene Aminosäuresequenzen.

3PG

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GAP + Pi + NAD+ ----> 1,3 BPG + NADH ∆G°‘ = +6.7 kJ/mol

1,3 BPG + ADP ----> 3PG + ATP ∆G°‘ = -18.8 kJ/mol_________________________________________________________________

GAP + Pi + NAD+ + ADP ----> 3PG + NADH + ATP ∆G°‘ = -12.1 kJ/mol

Substratkettenphosphorylierung -> ATP Synthese ohne Sauerstoffbeteiligung

Das NADH und O2 liefert durch die oxidative Phosphorylierung zusätzlich ATP

Verknüpfung der GAPDH- mit der PGK-Reaktion

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Mutasen katalysieren intramolekulare Übertragungen einer funktionellen Gruppe von einerPosition auf eine andere. Ist nicht direkt sondern über Phospho-His-RestEnergetisch neutrale Reaktion.

H. Phosphoglycerate-Mutase (PGM)

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Schritt 1: 3PG bindet an EnzymHis ist phosphoryliert

Schritt 2: Phosphorylgruppe wirdübertragen

Schritt 3&4: Komplex zerfällt

Postulierter Reaktionsmechanismus der Phosphoglycerat-Mutase

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Dehydratisierung

Mg2+ für Substratbindung an Enolase nötig. Fluorid ion (F-) blockiert Enolase und damit die Glykolyse.

2PG und 3PG reichern sich an.

I. Enolase: Bildung des zweiten energiereichen Zwischenprodukts

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Schritt 1: Phosphorylsauerstoff des ADP greift PEP-Phosphorylatom an -> ATP wird gebildet.

Schritt 2: Tautomerisierung zu Pyruvate.

J. Pyruvat-Kinase: Produktion des zweiten ATP

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Als 2 Stufenprozess betrachtet -> Tautomerisierung setzt mehr Energie frei als Phosphorylgruppen-Übertragung -> Tautomerisierung treibt Reaktion.

U. Albrecht BC1Zusammenfassung von Stufe II der Glykolyse

In Stufe 1 2 ATP investiert

4 ATP werden in Stufe 2 gewonnen (2x2 aus 2 GAP)2 NADH gewonnen -> oxidative Phosphorylierung.2 Pyruvat -> Citrat Zykuls (aerobe Bedingungen)

U. Albrecht BC13. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats

HefeAlkoholische Gärung

MuskelMilchsäuregärung

Aerobe Bedingungen Anaerobe Bedingungen

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His 195 und Arg 171 orientierenPyruvat im aktiven Zentrum

Überschüssiges Lactat -> Um-wandlung in Pyruvat oderTransport aus Muskel zu Leber->Umwandlung von Lactat in Glucose

Muskelkater nicht wegen LactatAnhäufung sondern wegen Säure-produktion der Glykolyse

A. Milchsäuregärung

Im Muskel bei hoher Aktivität und knapperSauerstoffversorgung. LDH vollständigreversible Reaktion -> Gleichgewicht vonPyruvat und Lactat

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Thiaminpyrophosphat (TPP) essentieller Cofaktor der Pyruvatdecarboxylase (dieses Enzym in Tieren nicht vorhanden).

Reaktion läuft bei der Herstellung von Bier und Wein ab. Auch bei Brot -> CO2 lässtTeig aufgehen.

Kann Carbanion stabilisieren wenn Proton abgegeben wird ->dipolares Carbanion oder Ylid

B. Alkoholische Gärung

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greift Pyruvat an

2 Bildungons

Carbanion

dehyd

Schritt 1: Ylid C-

Schritt 2: Austritt von COeines Carbani

Schritt 3: Protonierung

Schritt 4: Eliminierung YlidBildung von Acetal

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Hefe (Yeast) ADH (=YADH) ist ein tetramerJede Untereinheit bindet ein Zink-ion ->

Polarisierung der Carbonylgruppe des Acetaldehyds-> stabilisiert Übergangszustand.

Säugetiere haben ADH in der Leber = LADH

Beseitigt baktereill produzierten Ethanol (Darmflora)Und von aussen eingenommenen Ethanol. ->Reaktion verläuft in umgekehrter Richtung.

LADH ist ein Dimer wobei jedes Monomer 2 ZinkIonen bindet.

Reduktion von Acetaldehyd und Regeneration von NAD+

Energiebilanz der Gärung

Pro Glucose: Gärung liefert 2 Moleküle ATP <-----> oxidative Phosphorylierung 38 ATP

Geschwindigkeit: 100 x 1 x

Hefe unter anaeroben Bedingungen -> verbraucht mehr Glucose für Wachstum (= Pasteur Effekt).

Muskeln: 2 typen von Fasern

Typ I: schnelle Fasern, fast keine Mitochondrien -> wenig oxidative Phosphorylierung ->schnelle anaerobe Glykolyse.

Typ II: langsame Fasern. Viele Mitochondrien. Oxidative Phosphorylierung.

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U. Albrecht BC14. Kontrolle der Glykolyse

Viele Reaktionen der Glykolyse verlaufen am Gleichgewicht -> Fliessgleichgewicht lässt GlykolyseKontinuierlich laufen. Abrupte Änderung des Energiebedarfes -> Kontrolle3 Reaktionen arbeiten fernab des Gleichgewichtes: Hexokinase,

Phosphofructokinase (siehe slide 6)Pyruvat-Kinase

Negative Änderung der freien Enthalpie -> Kandidatenfür Kontrolle.

Wenn Glycogen statt Glucose im Skelettmuskel ver-Braucht wird -> Hexokinase Reaktion umgangen

Pyruvat-Kinase ist letzter Reaktionschritt in Glycolyse->Nicht geeignet als Kontrollpunkt.

Phospohfructokinase (PFK) geeignetsterKontrollpunkt

PFK = tetramer, R und T KonformationszuständeATP = Substrat und allost. Hemmstoff (hohe [ATP ])AMP, ADP, F2,6P = AktivatorenF6P = Substrat (R)

A. Phospohfructokinase: Kontrolle der Glykolyse im Muskel

Mg++

ATP

F6P

2 Untereinheiten

T

R/T

Inhibitorstelle, Aktivatorstelle

R

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Aktivator

Inhibitor (PGC= 2 Phosphoglykolat = PEP Analog)Ionische Wechselwirkung-/+ F6P gebunden-/- F6P abgestossen ATP wird durch Creatinkinase und Adenylat-Kinase

Gepuffert. D.h. ATP KonzentrationsveränderungenSind relativ gering -> d.h. kann nicht alleine die Aktivität von PFK regulieren.-> AMP und ADP heben Hemmung der PFK durchATP auf da sie bevorzugt an den R-Zustand binden.

Allosterische Änderung der PFK (Bacillus stearothermophilus)

R-Zustand

T-Zustand

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Änderung des Flusses in der Glykolyse 100 fach. Solche drastischen Steigerungen nur möglich wenn Reaktionennahe an Gleichgewicht. Dies nicht der Fall für PFK -> Zweites Enzym das Rückreaktion katalysiert ->Fructose-1,6-Bisphosphatase (FBPase).

PFK: F6P + ATP --> FBP + ADP -25.9 kJ/molFBPase: FBP + H2O --> F6P + Pi -8.6 kJ/molKombination --> netto 1 ATP verbrauchtGruppe von gegenläufigen Reaktionen = Substratkreislauf oder Substratcyclus

Ruhezustand Muskel, beideEnzyme aktiv -> Fluss gering

Aktiver Muskel -> PFK nimmt zuFBPase ab --> dramatischer Anstiegdes glykolytischen Flusses

Aktivatoren der PFK (AMP, F2.6P)hemmen die FBPase.--> Aktivierung PFK --> InhibierungFBPaseEssentiell für plötzliche hoheglycolytische Flussrate bei hohemEnergiebedarf (Fluchtbereitschaft usw.)

Möglicherweise auch hormonell kontrolliert.Thermogenese (Schilddrüsenhormone).

Chronische Obesitas -> geringerer Stoff-wechselumsatz -> verringerte Thermogenese ->Kälteempfindlich (keine Erhöhung der Schild-drüsenhormone bei Kälte).

B. Substratkreislauf

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5. Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose

U. Albrecht BC1A. Fructose

Fructose Brennstoffquelle wenn Früchte oder Saccharose aufgenommen werden. Muskel und Leber verschiedene Repertoire an Enzymen -> Fructose Abbau verschieden.

Kann für Synthese vonTriacylglyceriden gebrauchtWerden.

Zuviel Fructose (Infusion) -> F1Pschneller produziert als abgebaut->ATP Konentration in Leber sinkt ->Glykolyse und Lactatproduktionsteigt -> hohes Lactat im Blut lebensbedrohlich.

Fructoseunverträglichkeit ->Typ-B-Aldolase Mangel -> Individuen entwickeln AbneigungGegenüber süssem.

U. Albrecht BC1B. Galactose

Milchprodukte -> Lactose = Disaccharid aus Glucose und Galactose.

Hexokinase erkennt Galactose nicht -> Epimerisierungschritt

Epimerisierung läuft über UDP-Glucose (siehe später).

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Galactosämie

Mangel an Galactose-1-phosphat uridyltransferase ->Anhäufing toxischer Nebenprodukte -> Entwicklungs-Störungen, geistige Retardierung.Glalactose hoch im Blut -> in Augenlinse umgewandelt In Galactitol -> grauer StarGalacotsefreie Diät behebt alle Symptome.Für Synthese von Glycoproteinen Galactose aus Um-kehrung der Epimerisierungsreaktion aus Glucose synthetisiert.

Galactoseabbau

U. Albrecht BC1C. Mannose

C2 Epimer von Glucose

Hexokinase erkennt Mannose -> Phosphorylierung

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Energiewährungen in der Zelle:ATPNADH -> für ATP Synthese NADPH -> reduktive Biosynthesen

NAD+/NADH = 1000 Metabolitenoxidation

NADP+/NADPH = 0.01 reduktive Biosynth.

NADPH durch oxidation von G6P erzeugt,aber nicht in Glycolyse sondern in Separatem Weg -> Pentosephosphatweg

Vor allem in Geweben mit Lipidbiosynthese:Leber, Milchdrüsen, Fettgewebe, Neben-nierenrinde

30% der Glucoseoxidation in der LeberÜber Pentosephosphatweg

Stufe 1: oxidative Reaktionen

Stufe 2: Isomerisierung und Epimeris.

Stufe 3: Bilden und Spalten von C-C

Stufen 2+3 vollständig reversibel

6. Der Pentosephosphatweg

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1. Glucose-6-phosphate dehydrogenase-> Lacton

2. 6-Phosphogluconolactonase ->Ringöffnung

Startpunkt G6P aus Glykolyse (Hexokinase) oder Glykogenabbau

A. Stufe 1: Oxidation unter Bildung von NADPH und Ribulose-5-phosphat

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Relative Mengen von R5P und Xu5P hängtvom Bedarf der Zelle ab.

Wenn Pentosephosphatweg nur für NADPHProduktion gebraucht wird ist das VerhältnisXu5P : R5P = 2:1

In teilenden Zellen DNA-Synthese gesteigert->R5P vermehrt produziert da Vorläufermolekülfür Nucleotide.

B. Stufe 2: Isomerisierung und Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat

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Aus 3 G6P entstehen 3 Ru5P.

Aus diesen 3 C5 Zuckern entstehen dann 2 C6 und ein C3 Zucker.

Transaldolasen und Transketolasen -> Bildung stabilisierter CarbanionenMit Hilfe von TPP

Transketolase Reaktion

Katalysiert die Übertragung von C2-Einheiten

C. Stufe 3: Reaktionen zur Knüpfung und Spaltung von C-C Bindungen

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Transaldolase Reaktion

Katalysiert die Übertragung von C3-Einheiten

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Transketolase

Transaldolase

Transketolase

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Hauptprodukte des Pentosephosphat-weges

Glucose-6-phosphatdehydrogenase bestimmt Fluss durchPentosephosphatweg.Dieser Schritt wird durch NADPH Konzentration kontrolliert.

D. Kontrollmechanismen des Pentosephosphatweges