Metabolismus:!Lehrbuch der Biochemie: Voet/Voet!!

!Kapitel 13: Einführung in den Stoffwechsel!!Kapitel 14: Glucose Katabolismus!!Kapitel 15: Glycogen Metabolismus und Gluconeogenese!!Kapitel 16: Citratcyclus!!Kapitel 17: Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung!!Kapitel 20: Aminosäure Katabolismus (Harnstoffzyklus)!

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Clinical definition of the metabolic syndrome

ATP und NAD(P)H sind die Hauptspeicherformen freier Enthalpie für anabole Reaktionen!!

NAD+: R = H!

NADP+: R = PO32-!

Elektronenträgermoleküle !

Nicotinamid-adenin-dinucleotide (NAD+)!

Reduktion von NAD+ zu NADH!R = ribose-pyrophosphoryl-adenosin!

Reduktions-Oxidations Reaktionen: !Uebertragung von Elektronen!

NAD+ ist in vielen exergonen Oxidationen von Metaboliten !der Elektronenakzeptor. Es ist daher wie ATP ein Ueberträger von freier Enthalpie. !

Elektronenträgermoleküle !

Flavin-adenin-dinucleotide (FAD)!

Reduktion von FAD zu FADH2!R = ribitol-pyrophosphoryl-adenosin!

Das konjugierte Ringsystem von FAD kann sowohl !zwei aufeinander folgende Ein-Elektronen-!Reduktionen als auch eine Zwei-Elektronen-!Uebertragung eingehen. !!

Reduktions-Oxidations Reaktionen: !Uebertragung von Elektronen!

ATP, die wichtigste energiereiche �Währung� der Zelle!

Anhydridbindung: - 32 kJ/Mol!Esterbindung: - 14 kJ/Mol!

adenin!

ribose!

ATP synthese und hydrolyse!

Der Phosphatgruppen-Fluss !verläuft von energiereichen !Phosphatdonoren über das!ATP-ADP-System zu !energiearmen !Phosphatakzeptoren.!

Indirekte ATP-synthese!

1) Direkt (benötigt keinen Sauerstoff): !!!Phosphorylierung von ADP zu ATP!!ADP !+ Pi --> ATP!z.B. Glykolyse!

2) Indirekt (benötigt Sauerstoff): !!!

Produktion von hoch-energetischen Elektronen ! Speicherung in einen trans-membranären ! Protonen-konzentrationsgradienten, der die ! ATP-synthese treibt.! z.B. oxidative Phosphorylierung!!

Ueberblick zum Katabolismus!Glucose, Aminosäuren, Fettsäuren und Glycerin werden zum gemeinsamen Zwischenprodukt Acteyl-CoA abgebaut. !!!Die Acetylgruppe wird im Citratcyclus unter gleichzeitiger Reduktion von NAD+ und FAD zu CO2 oxidiert. !!!Die Rückoxidation von NADH und FADH2 durch O2 während der oxidativen Phosphorylierung liefern H2O und ATP. !!

Glucose:!

Glucose wird oft durch den Abbau höherer Polysaccharide !(z.B. pflanzliche Stärke) durch die Nahrung aufgenommen!!!

Stärke!

Zuckeraufnahme:!

In den meisten Zellen gelangt Glucose mit Hilfe eines spezifischen Transport-!systems, das sie von von ausserhalb der Zelle in das Cytosol transportiert. !Die Enzyme der Glycolyse befinden sich im Cytosol, wie sie nur lose !miteinander und mit anderen Zellstrukturen assoziert sind. !

Zuckerstoffwechsel im Körper!

Zuckerspeicher (Glycogen)!Zuckeraufbau (Gluconeogenese)!

Zuckerabbau (Glycolyse)!

Hirngewebe!

Blutzuckerspiegel: !

--> konstant zwischen 0.6 und 1.0 g/l!

Glucose-zufuhr!!Glykogen-abbau!!Galaktose!Fruktose!!Gluconeogenese!

Umbau!Blut-Glukose!

Oxidation!!Glykogen-aufbau!!Fettbildung!!

Ueberblick des Zuckerabbaus: Glycolyse!!(glycolysis: aus dem Grichischen: glyk �sweet�; lysis �dissolution�!

Glucose! Pyruvat!

Aufklärung der Glycolyse Ende 1940. !Wesentliche Beiträge von Emden, Meyerhof und Paruas. !Deshalb wird die Glycolyse auch Emden-Meyerhof-Paruas Weg genannt. !

Hexokinase!

Glucosephosphat-!Isomerase!

Phospofructo-!kinase!

Aldolase!

Triosephosphat-!Isomerase!

Glycolyse: 2 Stufen (10 Reaktionsschritte)!

Stufe 1: Reaktionen 1 - 5!!Verbrauch von Energie (ATP). !!In dieser vorbereitenden Stufe wird !Glucose phosphoryliert und in zwei !Moleküle der Triose !Glycerinaldehyd-3-phosphat!gespalten. !!Der Process verbraucht 2 ATP!

Die einzelnen Schritte der Glycolyse (Reaktion 1)!

Hexokinase: Enzymatischer Mechanismus I!

Mg2+ -ATP ist das eigentliche Substrat. Mg2+ komplexiert die beiden !terminalen Phosphatreste, wodurch der nucleophile Angriff der OH-Gruppe !des Substrates erleichtert wird.!

Energiebilanz der Hexokinasereaktion:!

Glucosephosphat-isomerase (Schritt 2 der Glycolyse)!

Der Schritt beinhaltet eine !Isomerisierung von !Glucose-6-Phosphat (G6P) zu !Frucose-6-Phosphat (F6P). !!!

Phosphofructokinase (Schritt 3 der Glycolyse)!

Mit ATP wird Phosphat an Position 1 !angehängt. !!Die Reaktion ist ähnlich wie die !Hexokinase Reaktion: PFK katalysiert !den nukleophilen Angriff der !C1-OH Gruppe von F6P !am γ-Phosphat von Mg2+ -ATP. !!!!!

Aldolase (Schritt 4 der Glycolyse)!

Aldolase katalysiert die Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat in die zwei!Triosen Glyceraldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetone !phosphate (DHCP) !

Der Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung!

Das Enolat Zwischenprodukt ist auf Grund der elektronenziehendes !Charakters des Carbonyl-Sauerstoffatoms resonanzstabilisiert. !!2 Klassen von Aldolasen: Diese unterscheiden sich in der Art, wie das !Enolatintermediat stabilisiert wird.!!Klasse 1-Aldolasen (Tiere und Pflanzen): Schiffsche Base mit Lysine!Klasse 2-Aldolasen (Pilze, Algen, einige Bakterien): Zn2+-enzyme !

! !!

Hexokinase!

Glucosephosphat-!Isomerase!

Phospofructo-!kinase!

Aldolase!

Triosephosphat-!Isomerase!

Umwandlung der Triosen!

Die gegenseitige Umwandlung !von GAP und DHAP ist sehr !effizient, und die Konzentra-!tionen der Metaboliten sind !ständig im Gleichgewicht. !Unter Bedingungen !des Fliessgleichgewichts wird !aber GAP in den weiteren !Glykolyse-Schritten entzogen, !und daher DHAP in GAP !umgewandelt. !

GAP-!dehydrogenase!

PG-Kinase!

PG-Mutase!

Enolase!

Pyruvat-kinase!

Glycolyse: 2 Stufen (10 Reaktionsschritte)!

Stufe 2: Reaktionen 6 - 10!!Die beiden Moleküle Glycerinaldehyd-3-!phosphat werden unter gleichzeitiger Bildung !von 4 Molekülen ATP in Pyruvat überführt. !!!

Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase (GAPDH) !(Schritt 6 der Glycolyse)!

GAPDH katalysiert eine !Oxidationsreaktion und eine !Phosphorylierung von GAP durch !NAD+ und Pi. Bei dieser Reaktion !treibt die Aldehyd-oxidation, !eine exogene Reaktion, !die Synthese des energiereichen !Acylphosphats 1,3-Bisphospho-!glycerat (1,3-BPG). ! !

Phosphoglycerat-Kinase (Schritt 7 der Glycolyse)!

In dieser Reaktion wird Phosphat aus der !Carbonsäure-Phosphorsäureanhydrid-!Bindung auf ADP übertragen und die !Phosporsäure-Phosphorsäureanhydrid-!bindung des ATP gebildet. !

Energiebilanz der Gesamtreaktion von GAP zu 3PG!

GAP + Pi + NAD+ ----> 1,3-BPG + NADH ! !ΔG0� = + 6.7 kJ mol-1!!1,3-BPG + ADP ----> 3PG + ATP ! !ΔG0� = - 18.8 kJ mol-1!!GAP + Pi + NAD+ + ADP ----> 3 PG + NADH + ATP ! !!

! ! ! ! !!! ! ! ! !ΔG0� = - 12.1 kJ mol-1!

!

Durch Verknüpfung der GAPDH- mit den !PGK-Reaktionen kann eine wenig begünstigte!mit einer stark begünstigten Reaktion gekoppelt !werden, so dass beide Reaktionen in !Vorwärtsrichtung ablaufen. In der Glycolyse ist !1.3-BPG das gemeinsame Zwischenprodukt,!dessen Verbrauch in der PGK-Reaktion die !GAPDH-Reaktion vorwärts zieht.!Diese ATP-synthese ist ein Beispiel für eine!Substratkettenphosphorylierung.!

Phosphoglycerat-Mutase (PGM) (Schritt 8 der Glycolyse)!

Eine Mutase katalysiert die intramolekulare Uebertragung einer funktionellen !Gruppe von einer Position auf eine andere. ! !

Enolase (Schritt 9 der Glycolyse)!

Enolase katalysiert die Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat (2PG)!zu Phospho-enolpyruvat (PEP). An der Eliminierung von H2O ist eine Base !beteiligt, die die Deprotonierung an C2 erleichtert, sowie ein Mg2+ Ion, !das die Abspaltung der Hydoxylgruppe begünstigt. !Fluoridionen blockieren die Enolase. ! !

Mechanismus der Pyruvat-kinase Reaktion!

Die Reaktion ist in zwei Schritte unterteilt: Hydrolyse und Tautomerisierung.!!1)  Ein β-Phosphorylsauerstoff des ATP greift das PEP-Phosphoratom !!nucleophil an, wobei unter Verdrängung von Enolpyruvat ATP gebildet wird.!

!2) !Tautomerisierung des Enolpyruvats zu Pyruvat. !

Gesamtbilanz der Glycolyse:!!

ATP: Nach Verbrauch von ATP am Anfang der Glycolyse werden in der !!2. Hälfte vier ATP erzeugt, so dass ein Nettogewinn von zwei ATP !!resultiert. !!!In der Tat decken eine Reihe von Zellen, die von der Glycolyse leben, !!ihren Energiebedarf mit diesem ATP. Für die ATP-Gewinnung durch !!die Glycolyse wird kein Sauerstoff benötigt.!

!! !--> Direkte ATP-synthese!

!

Phosphocreatin: ein ATP-Speicher!!!!ATP + Creatin!!!

Phosphocreatin + ADP!

ΔG0� = + 12.6 kJ mol -1!

ATP-Speicher für raschen Einsatz in Muskel und Nervenzellen!(reicht im Ruhezustand für wenige Minuten, bei max. !Anstrengung aber nur wenige Sekunden)!

Creatinkinase!

Regulation der Glycolyse:!!

!!!

Prinzipiell lässt sich die Geschwindigkeit eines !Stoffwechselweges an Enzymen regeln, !die stark exergone Reaktionen katalysieren !(weit vom Gleichgewicht entfernt). !!

Regulation der Glycolyse:!!

Prinzipiell lässt sich die Geschwindigkeit eines Stoffwechselweges an Enzymen !regeln, die stark exergone Reaktionen katalysieren (weit vom Gleichgewicht !

! ! ! ! ! ! !entfernt). !!In der Glycolyse sind dies:!!Hexokinase: ! !ΔG0� = -20.9 kJ mol -1!!Phosphofructo-kinase: !ΔG0� = -17.2 kJ mol -1!!

Die Regulation der Glycolyse findet an beiden Enzymen statt, am wichtigsten !ist aber die Regulation der Phosphofructo-kinase (PFK). !

Substratkreislauf bei der Regulation von Phosphofructokinase (PFK)!

Im Ruhezustand des Muskels sind beide Enzyme im F6P/FBP-Substratcyklus aktiv und der glycolytische Fluss ist gering. !

Im aktiven Muskel steigt die PFK-Aktivität an,!während die FBPase-Aktivität abnimmt.!Das führt zu einem dramatischen Anstieg im !Fluss durch die PFK und daher insgesamt zu!einem hohen glycolytischen Fluss. !

Regulation von metabolischen Enzymen:!!

1)  Allosterische Regulatoren!

!(z.B. Metaboliten)!

! !- Aktivatoren!

! !- Inhibitoren!

2)  Regulation durch Signalübertragungswege!

!(z.B. Hormone)!

!- Aktivatoren!

! !- Inhibitoren!

Phosphofructokinase!

Phosphofructokinase!--> hyperaktiv!

P!

Glycolyse!

Regulation der Phosphofructokinase:!

Phosphofructokinase-kinase!(Proteinkinase)!

Insulin, stress hormone !

Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose:!

Zusammen mit Glucose, sind die !Hexosen Fructose, Galactose und !Mannose die bedeutensten !�Brennstoffe� im Stoffwechsel. !!Nach der Verdauung werden diese !Monosaccharide in den Blut-!Kreislauf aufgenommen, der sie zu !den verschiedenen Geweben !transportiert. Fructose, Galactose !und Mannose werden in !glycolytische Zwischenprodukte !umgewandelt. !

Abbau von Fructose!

Fructose ist vorallem in Früchten vorhanden. Oft wird Fructose auch in Form von Saccharose (Disaccharid aus Glucose und Fructose) eingenommen. Saccharose ist uns geläufig als Haushaltszucker, und ist die Hauptspeicherform der Kohlenhydrate in Pflanzen.!

Abbau von Fructose im Muskel!

Im Muskel phosphoryliert Hexokinase die !C6-position, wobei Fructose-6-phosphat entsteht.!Fructose-6-phosphat wird in die Glycolyse weiter!abgebaut.! !

Hexokinase: Substrat-spezifität!

Hexokinase ist ein relativ unspezifisches Enzym, das in allen !Zellen vorkommt und die Phosphorylierung von Hexosen, !wie D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose katalysiert.!!

Hexokinase von Bäckerhefe mit (rechts) oder ohne (links) Glucose!

Abbau von Fructose in der Leber!Die Leber exprimiert eine als Glucokinase bezeichnete!Hexokinase, die nur eine geringe Bindungsaffinität zu!Fructose und zu anderen Hexosen (ausser Glucose) hat.!Die Umwandlung der Fructose in der Leber erfolgt daher!über eine Reaktionsfolge, and der 7 Enzyme beteiligt sind. ! !

Der Pentosephosphatweg:!

Der Pentosephosphatweg beginnt mit G6P, und !generiert NADPH für den Einsatz in reduktiven!Reaktionen und Ribose-5-phosphat (R5P) für die !Nucleotidbiosynthese. Ein Ueberschuss an R5P!wird über eine Reihe von reversiblen Reaktionen in !Glycolysezwischenprodukte umgewandelt. !Bei Bedarf kann daher R5P auch aus GAP !synthetisiert werden. !

Gesamtbilanz: !3 G6P + 6 NADP+ + 3 H2O!! ! !---> 2 F6P + 1 GAP + 3 CO2 + 6 NADPH + 6H+

!

Der Pentose-phosphat Abbauweg!

Der Abbau lässt sich in drei Stufen unterteilen:!!1)  Oxidationsreaktionen führen zu NADPH !

!und Ribulose-5-phosphat.!

2)  Isomerisierungs- und Epimerisierungs-!!reaktionen wandeln Ribulose-5-phosphat!!in Ribose-5-phosphat und Xylulose-5-!!phosphat um.!

!3)  Umlagerungsreaktionen zur Erzeugung von!

!Fructose-6-Phosphat und GAP aus Xylulose-!!5-Phosphat und Ribose-5-Phosphat. !

Die Verarbeitung von Glucose-6-phosphat (G6P) hängt vom jeweiligen Bedarf an!NADPH, Ribose-5-Phosphat (R5P) und ATP ab!

Situation 1: mehr R5P als NADPH benötigt !

Situation 2: Bedarf an R5P und NADPH !!ist ausgeglichen!

G6P + ATP --> R5P + ADP + H+!

For example: rapidly dividing cells (DNA-synthesis)!

G6P + 2 NADP+ + H2O !

!--> R5P + 2 NADPH + CO2 + 2H+!

Die Verarbeitung von Glucose-6-phosphat (G6P) hängt vom jeweiligen Bedarf! an NADPH, Ribose-5-Phosphat (R5P) und ATP ab!

Situation 3: mehr NADPH als R5P benötigt!!6 G6P + 12 NADP+ + 6 H2O!

!--> 6 R5P + 12 NADPH + 12 H+ !! !+ 6 CO2!

!G6P vollständig zu CO2 oxidiert !

Situation 4: mehr NADPH als R5P benötigt!!3 G6P + 6 NADP+ + 5 NAD+ + 5 Pi + 8 ADP !

!--> 5 pyruvat + 6 NADPH + 8 H+ + !! !3 CO2 + 5 NADH + 6 H2O!

!ATP und NADPH werden hergestellt !