Grundzüge des Energiestoffwechsels I

• 4.5 Grundzüge des Energiestoffwechsels– 4.5.2 Glykolyse

– 4.5.3 Pyruvatdecarboxylierung

– 4.5.4 Citratzyklus

– 4.5.5 Glyoxylatzyklus und Gluconeogenese

– 4.5.6 Atmung, Endoxidation

– 4.5.7 Anaplerotische Reaktionen

– 4.5.8 Gärungen

Übersicht StoffwechselvorgängeGlucose

Glycolyse Gluconeogenese

Pyruvat

Aerobe Stoffwechselwege Anaerobe Stoffwechselwege

Pyruvatdecarboxylierung

Milchsäure-Gärung Alkoholische GärungFettsäuren

β-Oxidation

Acetyl-CoA

Glyxoxylat-Cyclus Citratcyclus

Atmungskette

Lactat Ethanol

RedoxÄquivalente

CO2

Gliederung

• Glycolyse• Gluconeogenese• Anaerobe Stoffwechselwege

– Milchsäure-Gärung– Alkoholische Gärung

• Aerobe Stoffwechselwege– Pyruvatdecarboxylierung

• Citratcyclus• Glyoxylatcyclus• Anaplerotische Reaktionen/Cataplerotische Reaktionen• Atmungskette

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.

• 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.

Ablauf der Glycolyse

• Die Glycolyse lässt sich grob unterteilen in

– Energieinvestitionsphase und

– Energiegewinnungsphase

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.

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.

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

Isomerisierung

• Glucose-6-Phosphat wird durch die Hexose-Phosphat-Isomerase ( = Phosphoglucose-Isomerase) zu Fructose-6-Phosphatisomerisiert

2. Phosphorylierung

• Unter Verwendung eines weiteren ATP-Moleküls wird Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphatphosphoryliert.

• 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!

Einschub: Phosphofructokinase I

• Die PFK I ist das wichtigste allosterischregulierte 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

Aldolspaltung

• Aldolspaltung von Fructose-1,6-Bisphosphatzu Dihydroxyacetonphosphat (C1-C3) und Glycerinaldehyd-3-Phosphat/3-Phosphoglycerinaldehyd (C4-C6)

• Das beteiligte Enzym ist die Fructose-1,6-Bisphosphat-Aldolase

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.

Zwischenbilanz

• In der Energieinvestitionsphase der Glycolysewurden 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

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.

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.

• 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

Katalytischer Mechanismus der Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase

• Es entsteht in einer Zwischenstufe ein Thioester.

Vorteil der Thioester-Kupplung

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

Einschub: NAD+/ NADP+

• Coenzyme bei Redox-Reaktionen:

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.

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 Gewinn

- 1 x Glucose

- 2 x ATP + 2 x ATP

+ 2 x NADH/H+

Isomerisierung

• Die Phosphat-Gruppe des 3-Phosphoglyceratwird unter Katalyse durch die Phosphoglyceratmutase auf Position 2 verschoben.

• Das Enzym benötigt katalytische Mengen an 2,3-Bisphosphoglycerat

Dehydratisierung

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

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.

Energiebilanz der Glycolyse

• Pro Molekül Glucose werden im letzten Schritt jeweils wieder 2 Moleküle ATP gebildet.

• Daraus ergibt sich folgende Nettogleichung für die Reaktionen der Glycolyse:

Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ 2 Pyruvat + 2 ATP + 2

NADH/H+ + 2 H2O

Verbrauch Gewinn

-1 x Glucose

- 2 ATP + 2 ATP

+ 2 x NADH/H+

+ 2 ATP

• 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

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.

Anaerobe & aerobe Regeneration

• Die Regeneration kann dabei mittels verschiedener Stoffwechselwege erfolgen.

• 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.

Alkoholische Gärung

• Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose zu Ethanol abgebaut: Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2H+

2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O• In Hefe und anderen Mikroorganismen werden die Reaktionen

durch die Enzyme Pyruvat-Decarboxylase (CoenzymThiaminpyrophosphat) und Alkohol-Dehydrogenase katalysiert

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

Essigsäuregärung

• Die Essigsäuregärung ist ein Spezialfall der alkoholischen Gärung und im engeren Sinn keine Gärung, da sie nur in Anwesenheit von O2 abläuft.

• Sie wird von Acetobacter-Arten ausgeführt, die Ethanol zu Essigsäure oxidieren und dabei NADH/H+ aus NAD+ gewinnen.

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 Pi + 2 ADP 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O

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..

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.

• 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.

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.

Vergleich: Glycolyse& Gluconeogenese

Lokalisation

• Die Enzyme der Gluconeogenese sind im Cytosol lokalisiert

• Ausnahmen sind

– Pyruvat-Carboxylase: Mitochondrien

– Glucose-6-Phosphatase: ER

Vom Pyruvat zum Phosphoenolpyruvat

• Der Schritt ist eine Rückreaktion einer stark exergonenReaktion, 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 Coenzymbenötigt.

Malat-Shuttle

Bildung von Fructose-6-Phosphat

• Im Folgenden werden die Reaktionen der Glycolyse in entgegengesetzter Richtung bis zur Bildung von Fructose-1,6-Bisphosphatdurchlaufen.

• Die Fructose-Bisphosphatase spaltet den an C1-gebundenen Orthohosphat-Rest hydrolytisch ab. Produkt dieser irreversiblen Reaktion ist Fructose-6-Phsophat.

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.

Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese

Kooperation zwischen Glycolyse und Gluconeogenese