Praktikumsreferat Biochemie

Praktikumsreferat Biochemie
Thema: Glycolyse und Gluconeogenese
1. Glycolyse im Überblick
Die Glycolyse (gr.: glykys = süß, lysis = auflösen) beschreibt den Abbau von Glucose zu
Pyruvat (aerobe Glycolyse = ausreichend Sauerstoff vorhanden) oder Laktat ( anaerobe Gl. =
Sauerstoffmangel).
CAVE: Für die Glycolyse selbst wird KEIN Sauerstoff benötigt, auch wenn die
Unterscheidung von aerober und anaerober Glycolyse dies nahelegt. Man spricht deshalb von
aerober Glycolyse, weil hier Pyruvat als Endprodukt entsteht, daß dann im Rahmen der
Atmungskette, aerob, vollständig abgebaut werden kann.
In den menschlichen Zellen hat die Glycolyse zwei Aufgaben:
1. Abbau von Glucose zur Erzeugung von Energie
2. liefert Bausteine für Biosynthesen (z.B. für Synthese von Fettsäuren und Cholesterin)
Eine Besonderheit der Glycolyse ist, daß sie in jeder Zelle ablaufen kann. Da sie im
Cytoplasma stattfindet, können sogar hochdifferenzierte Zellen wie die Erys Glycolyse
betreiben. Außerdem bietet die Glycolyse die einzige Möglichkeit für unseren Körper, ohne
Sauerstoff Energie zu erzeugen.
Beim Abbau von Glucose werden Bindungen gespalten, wodurch Energie freigesetzt wird.
Unter diesem Gesichtspunkt kann man die Glycolyse in zwei Phasen einteilen:
1. Vorbereitungsphase: Für die ersten 5 Reaktionen der Glycolyse wird Energie in Form von
zwei ATP investiert. Das Ergebnis sind 2 Moleküle Glyceral-3-Phosphat pro eingesetztem
Glucosemolekül, die dann weiter verstoffwechselt werden.
2. Phase der Energieerzeugung: Durch die nächsten 5 Reaktionen entstehen 2 Moleküle
NADH / H+, 4 Moleküle ATP und 2 Moleküle Pyruvat.
Die Nettoausbeute an Energie beim Abbau eines Moleküls Glucose bis zum Pyruvat beträgt
also 2 ATP. Diese 2 ATP sind verglichen mit der Atmungskette zwar ziemlich dürftig, aber
für Zellen wie die Erys (keine Atmungskette) die einzige Möglichkeit, überhaupt Energie zu
erzeugen. Außerdem ermöglicht dieser kleine Energiegewinn vielen Zellen, einen kurzen
Sauerstoffmangel zu überleben.
Zum weiteren Abbau kann Pyruvat zwei Wege einschlagen:
• Ist genügend Sauerstoff vorhanden, erfolgt die komplette Oxidation zu CO2 und H2O über
die Atmungskette.
• Bei Sauerstoffmangel erfolgt die Reduktion zu Laktat, das ins Blut abgegeben wird.
Die Glycolyse wird wie alle anderen Stoffwechselwege auch über Enzyme reguliert. Bei
einem solch komplexen Vorgang wie der Glycolyse werden aber nie alle Enzyme, sondern
nur die der Schlüsselreaktionen reguliert. Diese sogenannten Schlüsselenzyme sind:
• Hexokinase, welches die Glucose nach der Diffusion in die Zelle unter ATP-Verbrauch zu
Glucose-6-Phosphat phosphoryliert; diese Reaktion ist stark exergon und daher irreversibel
• Phosphofructokinase 1, welche einen zweiten Phosphatrest in das Molekül Fructose-6-
Phosphat einbaut; auch diese Reaktion ist stark exergon
Adrian Knispel
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21. März 2003
• Pyruvatkinase, welche vom Phosphoenolpyruvat das Phosphat abspaltet und es auf ADP
überträgt; ebenfalls exergon und irreversibel
Diese Schlüsselenzyme regulieren die Geschwindigkeit der Glycolyse. Sie arbeiten,
verglichen mit anderen Enzymen, recht langsam, verursacht durch eine schwache
Wirksamkeit des Enzyms (so phosphoryliert die Hexokinase auch andere Hexosen wie
Fructose oder Mannose). Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt daher nicht vom
Substratangebot ab, sondern von der Enzymaktivität, was man eine enzymbegrenzte
Reaktion nennt. Die Langsamkeit dieser Reaktion drosselt die Geschwindigkeit der gesamten
Sequenz und macht diese Enzyme zu wichtigen Kontrollstellen im Stoffwechselweg.
Gibt es mehrere solcher Schlüsselreaktionen, bestimmt der langsamste Teilschritt der
Reaktionsfolge die Geschwindigkeit. Dies bezeichnet man als Schrittmacherreaktion. Bei der
Glycolyse wird diese von der PFK 1 katalysiert.
Wie bereits erwähnt, läßt sich die Glycolyse energetisch in zwei Schritte einteilen. Die ersten
5 Schritte verbrauchen pro Molekül Glucose 2 ATP. An welcher Stelle wird nun aber Energie
konserviert?
Bei der Oxidation von Glyceral-3-Phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht eine
energiereiche Säureanhydridbindung am C1. Diese Reaktion ist biochemisch wirklich
interessant. Die Aldehydgruppe von Glyceral-3-Phosphat wird nämlich nicht einfach zu einer
freien Carboxylgruppe oxidiert. Vielmehr wird die Energie genutzt, um ein Anhydrid aus
Carbonsäure und Phosphorsäure zu erzeugen. Dadurch wird die Energie der Oxidation
kurzfristig konserviert. Außerdem kann das Coenzym NAD+ reduziert werden, was in der
Atmungskette noch einige Moleküle ATP liefert.
Bei der nun folgenden Spaltung der Anhydridbindung wir die Energie wieder frei und zur
Bildung von ATP aus ADP genutzt. Hierzu überträgt die 3-Phosphoglycerat-Kinase das
angeheftete Phosphat auf ADP – es entstehen ATP und 3-Phosphoglycerat. Erst an dieser
Stelle führt die Glycolyse zum ersten mal zu einem Energiegewinn. Pro Molekül Glucose sind
das 2 ATP. Damit hat die Zelle nun schon mal ihre investierte Energie wieder reingeholt.
Da die bei dieser Reaktionskette freiwerdende Energie nicht als Wärme verpufft, sondern für
die ATP-Erzeugung genutzt wird, nennt man den Vorgang Substratketten-Phosphorylierung. Diese ist von der oxidativen Phosphorylierung der Atmungskette zu unterscheiden,
bei der aus ADP und anorganischem Phosphat ATP hergestellt wird.
Eine zweite Substratketten-Phosphorylierung findet bei der Reaktion von Phosphoenolpyruvat
zu Pyruvat statt. Hier werden nicht nur 2 ATP gebildet, sondern zusätzlich noch über 30
kJ/mol Energie frei. Damit haben wir aus der Glycolyse 2 Moleküle ATP netto gewonnen.
Das in der Glycolyse entstandene Pyruvat hat nun zwei Möglichkeiten, weiter abgebaut zu
werden:
1. aerober Abbau zu CO2 und H2O im Mitochondrium
2. anaerober Abbau zu Laktat im Cytoplasma
Die Wahl des Weges hängt nun davon ab, ob eine Zelle Mitochondrien besitzt (Erys haben
keine) und wenn ja, wieviel Sauerstoff zur Verfügung steht.
Ein Grundprinzip des Stoffwechsels jeder Zelle ist, daß jeder verbrauchte Stoff immer
nachgefüllt werden muß. Führt also die Glycolyse z.B. dazu, daß NAD+ verbraucht wird,
dann muß dieses an anderer Stelle wieder nachgeliefert werden. In unseren Zellen gibt es
neben der Glycolyse noch zahlreiche andere Reaktionen, die NAD+ verbrauchen, aber nur
zwei, die nennenswerte Mengen erzeugen:
1. Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, die mit der Oxidation von NADH/ H+ zu NAD+ in
den Mitochondrien im Rahmen der Atmungskette verbunden ist (aerob)
Adrian Knispel
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21. März 2003
2. Reduktion von Pyruvat zu Laktat im Cytoplasma, bei der gleichzeitig NADH/H+ zu NAD+
oxidiert wird (anaerob)
Im Normalfall ist ausreichend Sauerstoff vorhanden, so daß NAD+ in der Atmungskette
regeneriert werden kann. Pyruvat wird dabei in die Mitochondrien eingeschleust und dort
vollständig zu CO2 und H2O abgebaut (=oxidiert).
Bei intrazellulärem Sauerstoffmangel entsteht nun durch die Glycolyse immer mehr
NADH/H+ im Cytoplasma, daß aber in der Atmungskette nicht mehr zu NAD+ regeneriert
werden kann. Ohne dieses kommt jedoch die Glycolyse zum Stillstand, weil es für die
Reaktion von Glyceral-3-Phosphat zu 1,3-Bisphosphatglycerat benötigt wird. Einziger
Ausweg ist dann die Reduktion von Pyruvat zu Laktat, bei der gleichzeitig NADH/H+ durch
die Laktat-Dehydrogenase (LDH) zu NAD+ oxidiert wird.
Für die Entstehung von Laktat in unserem Körper sind zwei Zelltypen wichtig. Unsere Erys
sind allein auf die Glycolyse angewiesen, weil sie keine Mitochondrien besitzen und damit
keine Atmungskette ausführen können. Sie können also nur über die anaerobe Glycolyse
Energie erzeugen. Die LDH reoxidiert das NADH/H+ und gibt das entstehende Laktat ins Blut
ab. In unserem Muskelzellen entsteht immer bei einem Sauerstoffmangel vermehrt Laktat.
Das ist bei starker Muskelaktivität und Dauerleistungen der Fall. Über die anaerobe Glycolyse
kann der Muskel sich so zusätzliche Energie holen.
Adrian Knispel
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21. März 2003
2.Gluconeogenese im Überblick
Die Gluconeogenese ist die endogene Biosynthese von Glucose aus Nicht-Zuckern. Da die
Glykogenvorräte unserer Leber beschränkt sind, ist unser Körper in manchen Situationen auf
eine funktionierende Gluconeogenese angewiesen. Schon nach einer einzigen Nacht wird sie
verstärkt betrieben – so richtig legt sie bei schwerer körperlicher Arbeit los.
Zum Aufbau der Glucose werden v.a. die Aminosäure Alanin und Laktat (wie gerade schon
besprochen aus den Erys und der arbeitenden Muskulatur) verwendet. Daneben dienen auch
andere Aminosäuren und Glycerin der Glucoseneubildung.
Die meisten Reaktionen der Glycolyse sind reversibel und laufen bei der Gluconeogenese
einfach in die entgegengesetzte Richtung. Die drei Schlüsselreaktionen der Glycolyse
allerdings (welche waren das noch gleich?) sind irreversibel und müssen so mit Alternativen
ersetzt werden. Daher sind sie natürlich die Schlüsselreaktionen der Gluconeogenese.
Obwohl die Gluconeogenese Energie kostet, ist sie eine exergonisch ablaufende Reaktion, die
irreversibel ist. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die exergonen Reaktionen der Glycolyse
durch Umgehungsreaktionen ersetzt werden, die eine andere Gleichgewichtslage besitzen und
so ebenfalls exergon sind.
Eine vollständige Gluconeogenese können nur die Leber, die Nieren und der Darm
betreiben. So betreibt die Leber diesen Stoffwechselweg zur Aufrechterhaltung des
Blutglucosespiegels. Sie ist das Stoffwechselorgan überhaupt und somit natürlich auch für die
Versorgung der anderen Organe (wie Gehirn) mit Energie verantwortlich.
Die Nieren betreiben die Gluconeogenese aus einem ganz anderen Grund. In unseren Zellen
entstehen z.B. durch die Glycolyse zwei Moleküle Brenztraubensäure, die bei
physiologischem pH dissoziiert als Pyruvat und H+ vorliegen. Unsere Nieren scheiden nun
diese Protonen wieder aus. Kommen dort nun viele Säuren an (z.B. metabolische Azidose),
nutzen auch die Nieren die Gluconeogenese, um aus je zwei Säuren (Pyruvat und eine
Aminosäure) Glucose zu machen.
Die Epithelzellen des Dünndarms werden nahrungsbedingt manchmal geradezu von
Nährstoffen wie Aminosäuren überschüttet. Sie betreiben als dritte die Glucose-Biosynthese,
indem sie einige Aminosäuren in Glucose umwandeln und so bereits im Vorwege bei der
Homöostase mitwirken.
Möchte man die Glycolyse rückwärts beschreiten, müssen unter Energieverlust die drei
Schlüsselreaktionen umgangen werden, weil diese nur in eine Richtung ablaufen. Die
Schlüsselreaktionen der Glycolyse sind, wie bereits erwähnt:
1. Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat
2. Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat
3. Glucose zu Glucose-6-Phosphat
Zu 1.: Diese Reaktion liefert in der Glycolyse nicht nur ATP, sondern auch 30 kJ/mol an
freier Energie, wodurch es eigentlich nötig wäre, zwei ATP zu spalten, um den Rückweg zu
ermöglichen. Die Zelle bedient sich aber einfach eines Umweges über zwei Reaktionen.
Im ersten Schritt wird Pyruvat, das im Cytoplasma entsteht, über einen Symporter ins
Mitochondrium geschleust, wo es mit Hilfe der Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat
carboxyliert wird. Da Oxalacetat auch ein wichtiges Zwischenprodukt des Citratcyklus ist,
entscheidet sich an diesem Punkt der weitere Weg. Je nach Bedarf wird es entweder zu
Glucose aufgebaut (nur bei „Hungerstoffwechsellage“) oder zum Energiegewinn über den
Citratcyklus und die Atmungskette abgebaut. Das Oxalacetat wird bei der Gluconeogenese
mit Hilfe des sog. Malat-Shuttles zusammen mit NADH/H+ aus dem Mitochondrium ins
Cytoplasma befördert, wo dann das Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat decarboxyliert wird.
Adrian Knispel
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In diesem zweiten Schritt bildet die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase das Schlüsselenzym.
Die Besonderheit hier ist, daß anstelle von ATP als Energielieferant GTP benutzt wird. Die
nächsten Schritte bis zum Fructose-1,6-Bisphosphat laufen einfach rückwärts im Vergleich
zur Glycolyse.
Zu 2.: Die Reaktion von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat ist die stark
exergone Schrittmacherreaktion der Glycolyse. In der Gluconeogenese tritt an die Stelle der
PFK 1 die Fructose-1,6-Bisphosphatase. Es entsteht im Cytoplasma unter
Phosphatabspaltung Fructose-6-Phosphat, welches mit Glucose-6-Phosphat im Gleichgewicht
steht. Letzteres geht in die letzte Reaktion der Gluconeogenese ein.
Zu 3.: Das Schlüsselenzym dieser Reaktion, die Glucose-6-Phosphatase, gibt es nur dort, wo
auch die Gluconeogenese abläuft (Leber, Nierenrinde, Dünndarmepithel). Dieses Enzym
spaltet den letzten Phosphatrest ab, wodurch wir das Endprodukt erhalten – Glucose. Die
Glucose-6-Phosphatase befindet sich im Endoplasmatischen Retikulum, dem dritten
Zellkompartiment der Gluconeogenese.
Die freie Glucose kann dann mittels eines Transporters die Membran der Zelle durchdringen
und über die Blutbahn alle Organe erreichen.
Die Gluconeogenese benötigt also drei Zellkompartimente: das Cytoplasma, die
Mitochondrien und das ER.
Welche Ausgangssubstanzen zur Gluconeogenese herangezogen werden, hängt immer von
den Anforderungen des Organismus ab. Ständiges Substrat ist Laktat, daß immer in großer
Menge z.B. von unseren Erys produziert wird. Der Abbau erfolgt vor allem in der Leber, wo
es entweder der Atmungskette zugeführt oder von der Leber in Glucose umgewandelt wird.
Hungersubstrate sind Alanin und andere glycogene Aminosäuren, die vor allem aus der
Muskulatur stammen. Außerdem benötigt die Leber zur Herstellung von Glucose noch
Fettsäuren als Energielieferanten (aus Acetyl-CoA kann man KEINE Glucose herstellen).
Daneben fällt beim Abbau von Fetten auch Glycerin an, das ebenfalls zur Leber transportiert
und dort als Substrat zur Glucoseherstellung dient.
Die Gluconeogenese erfolgt über drei verschiedene Einstiegsmoleküle:
1. Pyruvat, das aus Laktat und Alanin entsteht. Auch andere C3-Aminosäuren werden zu
Pyruvat abgebaut und dienen so der Biosynthese
2. Oxalacetat dient vielen C4-Aminosäuren als Transportform
3. Glyceron-3-Phosphat entsteht vor allem aus Glycerin und steigt etwas später in die
Reaktionsabläufe ein
Das aus dem Erythrocyten- und anaeroben Muskelstoffwechsel stammende Laktat wird
mithilfe der LDH im Cytoplasma direkt zu Pyruvat umgewandelt. Laktat, das aus der
Muskulatur stammt, wird in der Leber zu Glucose umgewandelt und ans Blut abgegeben,
sodaß es erneut vom Muskel aufgenommen werden kann. Wenn unsere Muskulatur also mal
anstrengend arbeitet, kann sie diese Glucose natürlich gut gebrauchen. Dieser Zyklus wird
nach seinen Entdeckern Gerty und Carl Cori als Cori-Zyklus bezeichnet.
In Hungerzeiten ist die wichtigste Vorstufe von Glucose das Alanin aus der Muskulatur. Beim
Abbau von Muskelproteinen und deren Aminosäuren entsteht zuerst Pyruvat, welches dann
durch die Alanin-Transaminase zu Alanin umgewandelt wird. Alanin gelangt über das Blut in
die Leber und wird dort (ebenfalls über die Alanin-Transaminase) in Pyruvat
zurückverwandelt. Nun kann auch hier wieder Glucose gebildet werden, die dann mit dem
Blut der Muskulatur zur Verfügung gestellt wird.
Adrian Knispel
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21. März 2003
Welche Energiebilanz können wir nun für die Gluconeogenese erstellen? Sie kostet natürlich
wie alle Biosynthesen Energie in Form von ATP. Es müssen insgesamt 3 Reaktionen der
Glycolyse umgangen werden, die jeweils 1 ATP kosten:
1. Pyruvat zu Oxalacetat
2. Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat (als GTP)
3. 3-Phosphoglycerat zu 1,3-Bisphosphoglycerat
Für ein Molekül Glucose laufen diese Reaktionen zwei Mal ab, was einem Bruttoverlust von
6 ATP entspricht. Da man beim Abbau von Glucose zum Pyruvat wieder 2 ATP gewinnt,
beträgt der Nettoverlust also 4 ATP. Die Gluconeogenese ist in allererster Linie für die
Konstanz des Blutglukosespiegels verantwortlich. Wie man an der Energiebilanz sieht, läßt
sich die Zelle diese Konstanz einiges kosten...
Adrian Knispel
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3.Regulation von Glycolyse & Gluconeogenese
Zur Regulation der Glycolyse und der Gluconeogenese gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. Zum einen kann jede Zelle in einem gewissen Umfang ihre Stoffwechselwege
autark regulieren. Dabei werden die Schlüsselenzyme von bestimmten Stoffen kontrolliert,
die innerhalb der Zelle gebildet werden und verschiedene Zustände signalisieren. Dies
bezeichnet man als allosterische Regulation. Sie sorgt zum einen dafür, daß nur so viele
Produkte hergestellt werden, wie gerade benötigt. Eine Leberzelle z.B. kann nur dann Glucose
herstellen, wenn sie selbst genügend Energie zur Verfügung hat – ansonsten würde sie sich
kaputt arbeiten, und davon hätte sie wenig.
Der Körper verwendet zur Steuerung des Stoffwechsels außerdem Hormone. Diese
Botenstoffe erreichen über das Blut alle Organe, übermitteln ihre Informationen aber nur an
diese, die auch die passenden Rezeptoren für diese Hormone besitzen. Über die Rezeptoren
und einen zweiten, nun intrazellulären Botenstoff wird die Botschaft an die Zelle
weitergeleitet. Für die Hormone des Stoffwechsels übernimmt meist cAMP die Rolle des
second messengers. Das cAMP ist ein allosterischer Aktivator. Ein hoher cAMP-Spiegel in
der Zelle ist ein Hungersignal. Es zeigt einen niedrigen Blutglucosespiegel an.
Die allosterische Regulation der Glycolyse ist eine intrazelluläre Regulation, die
hormonunabhängig funktioniert. Grundprinzip dabei ist eine bei den Schlüsselreaktionen
ansetzende Aktivierung oder Hemmung von Enzymen. So wirken Stoffe, die eine gute
Energieversorgung der Zelle anzeigen (wie ATP) als Hemmstoffe der Glycolyse. Diesen
hemmenden Effekt hat auch Citrat, eine Substanz, an deren Entstehung Pyruvat beteiligt ist.
Steigt der intrazelluläre Citratgehalt, wird dieses vermehrt als Baustein für Biosynthesen
verwendet. Steigt der Spiegel noch weiter, liegt irgendwann mehr Citrat in der Zelle vor, als
für die Biosynthesen verwendet werden kann. Ab diesem Zeitpunkt hemmt Citrat die
Glycolyse und damit seine eigene Produktion, um eine Überschwemmung mit Citrat in der
Zelle zu vermeiden. ADP und AMP hingegen wirken aktivierend auf die Glycolyse, weil sie
ja einen Energiebedarf der Zelle anzeigen.
Bei der PFK-1 handelt es sich um eines der kompliziertesten regulatorischen Enzyme. Da sie
das erste Schlüsselenzym ist, daß ausschließlich in der Glycolyse arbeitet (Hexokinase kann
ja auch andere Stoffe umsetzen), ist sie die wichtigste Kontrollstelle des Stoffwechselweges.
Ein allosterischer Stimulator der PFK-1 ist Fructose-2,6-Bisphosphat (gibt es nur in Leber
und Muskulatur). Fructose-2,6-Bisphosphat beschleunigt also die Glycolyse. Für dessen
Produktion und Abbau verfügen Leber und Muskelzellen über ein bifunktionales Enzym,
also ein Enzym mit zwei unterschiedlichen enzymatischen Funktionen.
• Ein Teil des Enzyms ist die PFK-2 (nicht verwechseln mit PFK-1!!), die die Herstellung von
Fructose-2,6-Bisphosphat katalysiert.
• Der zweite Teil des Enzyms ist die Fructose-2,6-Bisphosphatase, die ein Phosphat-Molekül
aus Fructose-2,6-Bisphosphat abspaltet, wodurch wieder Fructose-6-Phosphat entsteht.
Das bifunktionale Enzym und damit die Glycolyse von Leber und Muskulatur werden genau
entgegengesetzt reguliert. Dazu einfach zwei Beispiele:
Nehmen wir an, unser Körper befindet sich in Alarmbereitschaft oder im Hungerzustand. Im
Blut befinden sich dann die Hormone Adrenalin und Glukagon. Beide bewirken über einen
intrazellulären Ansteig von cAMP eine Phosphorylierung interkonvertierbarer Enzyme (diese
Enzyme werden in der Glycolyse durch Anhängen eines Phosphates inaktiviert), zu denen
auch das bifunktionale Enzym gehört. Wird dieses phosphoryliert, dann
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ist in der Leber der PFK-2-Teil inaktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase aktiv. Die
Glycolyse wird also gebremst. Da gleichzeitig über andere Enzyme die Gluconeogenese
Adrian Knispel
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beschleunigt werden kann, kann die Leber also Glucose ins Blut zur Versorgung anderer
Organe abgeben.
in der Muskulatur ist der PFK-2-Teil dagegen aktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase
inaktiv. Das entstehende Fructose-2,6-Bisphosphat beschleunigt somit die PFK-1Reaktion und so auch die Glycolyse. Gleichzeitig wird über andere Enzyme der
Glykogenabbau gefördert, wodurch die Muskulatur viel Energie gewinnt, die sie für ihre
Arbeit benötigt.
Nehmen wir nun an, der Körper befindet sich in einem gesättigtem Ruhezustand. Im Blut
befinden sich dann reichlich Glucose und Insulin, der intrazelluläre cAMP-Spiegel ist niedrig
und die interkonvertierbaren Enzyme liegen dephosphoryliert vor.
- in der Leber ist nun die PFK-2 aktiv, die Fruktose-2,6-Bisphosphatase dagegen inaktiv.
Die Glycolyse läuft also auf Hochtouren. Über andere Enzyme wird gleichzeitig die
Gluconeogenese gehemmt und die Glykogensynthese gefördert. Die Leber nimmt also die
überschüssige Glucose aus dem Blut auf, baut sie zu Energie ab und legt Glykogenvorräte
für schlechte Zeiten an.
- in der Muskulatur ist die PK-2 inaktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase aktiv – die
Glycolyse wird gedrosselt und über andere Enzyme gleichzeitig die Glykogensynthese
gefördert. Die Muskulatur ruht also und legt Glykogenvorräte für aktivere Zeiten an.
Die gegenläufige Reaktion des bifunktionalen Enzyms ist also für die Koordination des
Organstoffwechsels durchaus sinnvoll.
Die hormonelle Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels durch Glucagon und Insulin ist
weniger für die Geschwindigkeit der Glycolyse zuständig als die allosterische Komponente,
sondern vielmehr für deren Aktivität überhaupt.
Glucagon wird bei einem niedrigen Blutglucosespiegel ausgeschüttet und erhöht den cAMPSpiegel in der Leber – alle Signale stehen also auf Hunger. Dies führt nun dazu, daß die
interkonvertierbaren Enzyme phosphoryliert und damit in der Glycolyse gehemmt werden,
wodurch der Glucoseabbau der Leber gedrosselt wird. Die Glucose kann somit in anderen
Organen, die die Glucose dringender benötigen, verstoffwechselt werden.
Insulin wird nach Nahrungsaufnahme ins Blut abgegeben und senkt den cAMP-Spiegel der
Leber und der Muskulatur. Die Glycolyseenzyme werden dephosphoryliert, der Glucoseabbau
in der Leber aktiviert und die Glycolyse in den Muskeln reduziert. Nach Nahrungsaufnahme
wird die überschüssige Glucose also in der Leber abgebaut und in Speicherstoffe (Glycogen)
umgewandelt. Der Muskel ruht dann auch meist und baut seine Glycogenvorräte wieder auf.
Auch die Gluconeogenese wird natürlich allosterisch und hormonell reguliert. Hier ist so z.B.
die Pyruvat-Carboxylase für den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt verantwortlich.
Außerdem fördern ATP und NADH/H+ (Zeichen dafür, daß genügend Energie vorhanden ist)
die Gluconeogenese. ADP dagegen hemmt sie.
Fructose-2,6-Bisphosphat spielt auch bei der Gluconeogenese eine große Rolle. Allerdings hat
es hier einen genau gegenteiligen Effekt: Fructose-1,6-Bisphosphat wird durch dieses Enzym
allosterisch gehemmt, während ein Mangel davon einen niedrigen Blutglucosespiegel
anzeigt, wodurch die Fructose-1,6-Bisphosphatase aktiviert wird. Dieser Mangel wird in
erster Linie durch Glucagon verursacht.
Auch die hormonelle Regulation erfolgt gegensinnig zur Glycolyse. Glucagon sorgt über
eine Erhöhung des cAMP-Spiegels in der Leber für Phosphorylierung der
interkonvertierbaren Enzyme, wodurch die Pyruvatkinase inaktiv und somit die Glycolyse
gehemmt , die Gluconeogenese dagegen aktiv ist. Außerdem bewirkt Glucagon eine
Induktion aller Schlüsselenzyme der Gluconeogenese.
Insulin hemmt über eine Repression die Biosynthese der Schlüsselenzyme der
Gluconeogenese.
Adrian Knispel
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Zusammenfassend möchte ich noch einmal die wichtigsten Möglichkeiten zur Regulation des
Stoffwechselgeschehens aufführen:
1. Der Stoffwechsel wird durch den Organismus gesteuert, der seine Wünsche den Zellen
über Hormone mitteilt.
2. Der Stoffwechsel wird innerhalb der Zelle über allosterische Effektoren reguliert, die
bestimmte Enzyme aktivieren oder deaktivieren.
Wichtig für Glycolyse und Gluconeogenese ist, daß beide Faktoren immer gemeinsam
wirken. Wird die Glycolyse gefördert, wird die Gluconeogenese außerdem gehemmt, was ja
auch Sinn macht. Dieser gegenläufige Effekt wird von ein- und demselben Enzym, einem
bifunktionalen Enzym, gesteuert.
Adrian Knispel
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