Energiestoffwechsel Prinzipien und Kohlenhydrate
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Energiestoffwechsel Prof. Dr. Martin van der Laan – Lehrstuhl für Physiologische Chemie Energiestoffwechsel --Die Gesamtheit aller energieumwandelnden Reaktionen Was ist das überhaupt ? in einem lebenden Organismus, die der Bereitstellung (und Speicherung!) von Energie für Lebensprozesse (= Bewegung, Wachstum, Vermehrung...) dienen Allgemeine Prinzipien Ø Gemeinsame Energiewährung Ø Begrenzte Anzahl von aktivierten Zwischenprodukten Ø Wenige Typen von Reaktionen Ø Gleiche Regulationsmechanismen Klassen von Stoffwechselwegen Katabole Reaktionen, Katabolismus Brennstoffe CO2 + H2O + nutzbare Energie Anabole Reaktionen, Anabolismus nutzbare Energie + einfache Vorstufen komplexe Moleküle Amphibole Stoffwechselwege, Amphibolismus Allgemeine Prinzipien Ø Einzelreaktionen müssen spezifisch sein Ø Die Abfolge der Reaktionen muss thermodynamisch begünstigt sein (ΔG0‘ < 0) Ø Eine thermodynamisch ungünstige Reaktion kann durch eine begünstigte Reaktion, die mit ihr gekoppelt ist, ermöglicht werden A B A B+C D C+D ΔG0‘ = + 21 kJ/mol ΔG0‘ = - 34 kJ/mol ΔG0‘ = - 13 kJ/mol Enzyme katalysieren metabolische Reaktionen Terminologie: Reaktion mit negativem ΔG0‘-Wert: exergon (exotherm) Reaktion mit positivem ΔG0‘-Wert: endergon (endotherm) ATP als universelle Währung der Energie in biologischen Systemen ATP als universelle Währung der Energie in biologischen Systemen - 30.5 kJ/mol ATP im Vergleich mit anderen phosphorylierten Verbindungen ATP-Quellen während körperlicher Anstrengung Der ATP-ADP-Zyklus Pro Tag werden etwa 150 bis 200 kg ATP umgesetzt!!! Zusammensetzung unserer Nahrung Steinzeit Moderne (westliche Welt) Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist eine wichtige Energiequelle -IV -II 0 +II +IV Elektronegativität: “Affinität für Elektronen” (H = 2,1 C = 2,5 O = 3,5) Differenz zwischen Atomen in einer Bindung gibt Polarität und Oxidationszahl an!! Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist eine wichtige Energiequelle Substratkettenphosphorylierung Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist eine wichtige Energiequelle Substratkettenphosphorylierung Säureanhydrid Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist eine wichtige Energiequelle Erzeugung von Gradienten Phasen des oxidativen Katabolismus Aktivierte Carrier im Metabolismus Aktivierte Carrier im Metabolismus Coenzym A als Acyl-Carrier Aktivierte Carrier im Metabolismus Biotin als Carboxyl-Carrier Aktivierte Carrier im Metabolismus Tetrahydrofolat als Methyl-Carrier Aktivierte Carrier im Metabolismus Nicotinamid-adenin-dinucleotid Aktivierte Carrier im Metabolismus Nicotinamid-adenin-dinucleotid R NAD+ NADH + H+ Typen chemischer Reaktionen im Stoffwechsel Regulation von Stoffwechselprozessen Ø Kontrolle der Enzymmenge Ø Kontrolle der Enzymaktivität Ø Kontrolle der Verfügbarkeit von Substraten Zusammenfassung Ø Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen Ø ATP ist die universelle Währung der freien Enthalpie in biologischen Systemen Ø Die Oxidation von Kohlenstoffverbindungen ist für die Zelle eine wichtige Energiequelle Ø Stoffwechselwege enthalten viele wiederkehrende Muster Kohlenhydrate 1. Strukturen und Reaktionsmöglichkeiten von Mono-, DiOligo- und Polysacchariden 2. Glykolyse 3. Stoffwechsel der Fructose 4. Stoffwechsel der Galaktose 5. Gluconeogenese 6. Glykogenstoffwechsel 7. Pentosephosphatweg Bedeutung von Kohlenhydraten • Energiespeicher, Brennstoffe, Metaboliten • Teile des Grundgerüsts von DNA und RNA • Strukturelemente • Komplexe mit Proteinen oder Lipiden Einfachste Aldose und einfachste Ketose Stereoisomere (Enantiomere) von Glycerinaldehyd - Bild und Spiegelbild D- Aldosen mit 3 bis 6 C- Atomen Epimere Definition: Epimere sind Stereoisomere mit mind. zwei Stereozentren, die sich in der Konfiguration nur an einem Stereozentrum unterscheiden. Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 32 D- Ketosen mit 3 bis 6 C- Atomen Halbacetale und Halbketale Ringschluss bei Glucose und Fructose Intramolekulare Halbacetale und Halbketale α- und β- Konfiguration der Glucose und Fructose – Anomere Sesselkonformation der Glucose Nummerierung der Kohlenstoffatome: Beginne beim anomeren Kohlenstoffatom und zähle mit dem Uhrzeigersinn (à Bezeichnung glykosidischer Bindungen!!) Oxidation zu Glucuronsäure Reduktion zu Sorbitol Reaktionen von Monosacchariden am Beispiel der Glucose Oxidation zu Gluconsäure Aminierung und Acetylierung zu NAcetyl-Glucosamin Reduzierende Eigenschaften von Zuckern – Fehlingsche Probe D-Glucose D-Gluconsäure Cu(II)-Ionen werden als Weinsäure-(Tartrat)-Salze zugegeben (à dunkelblaue Farbe) Reduktion zum Kupfer(I)-oxid durch Aldehydgruppe: roter Niederschlag!! Spezifische Nachweisreaktionen Die Glucoseoxidasereaktion (Enzym aus Schimmelpilzen) Test enthält ein Nachweis-Reagenz, das mit H2O2 zu einem Farbstoffe oxidiert wird. Glucose in der offenkettigen Form reagiert spontan mit primären Aminen C O O -­‐ H 3 N-­‐C -­‐H + C H2 C H2 C H2 C H2 C H2 N H3+ N OH C H H C OH H C OH C H2 C H2 H C AmadoriUmlagerung H C OH H H C OH C H2 C H2 Lysin + C + C H2 C H2 O C O O -­‐ H 3 N-­‐C -­‐H C O O -­‐ + H 3 N-­‐C -­‐H H 2O + H + C H2 N H C H2 C O OH C H H C OH OH C H H C OH H C OH H C OH H C OH H H C OH H H C OH H Glucose Schiff´sche Base Ketamin Glucose in der offenkettigen Form reagiert spontan mit primären Aminen NH 3 + NH 3 + NH 3 + PROTEIN N H 3+ NH Lysin + Glc N H 3+ Diabetes mellitus Stoffwechselerkrankung, die auf absolutem (Diabetes Typ 1) oder relativem (Diabetes Typ 2) Insulinmangel beruht. Das Hauptsymptom ist die Ausscheidung von Glucose über den Urin. Insulin ist ein Peptidhormon, das für die Konstanthaltung der Glucosekonzentration Zwischen 3.5 - 5.5 mM verantwortlich ist. Glucosekonzentrationen unter 3.5 mM bezeichnet man als hypoglykämisch, Konzentrationen über 8 mM als hyperglykämisch. Nüchternplasmaglucose oraler Glucosetoleranztest (oGTT) Normal < 6.1 mM < 7.8 mM Diabe/sch > 7 mM > 11.1 mM Diabetes mellitus Diagnose Glucose reagiert mit Hämoglobin (HbA) zu HbA1c HbA1c HbA Glucose Schiff´sche Base Ketamin Die glykosidische Bindung – vom Halbacetal zum Vollacetal Methanol Die glykosidische Bindung - wichtige Disaccharide α-1,4-glykosidische Bindung Isomaltose α-Glucosyl-(1à6)-glucosid Die glykosidische Bindung – Herzglykoside Digitalis purpurea (Roter Fingerhut) Strophanthus spec. (Ouabain) Polysaccharide Dextran (Speicherstoff bei Hefen und Bakterien!) Glucose Verknüpfung α (1-6); α (1-2), α (1-3), α (1-4) Ausschnitt aus einem Glykogenmolekül mit Verzweigungsstelle Polysaccharide Inulin Enthalten in größeren Mengen z.B. in den Knollen von Helianthus tuberosus (Topinambur) Polysaccharide (ECM) (Murein) Glykoproteine GalNAc = N-Acetyl-Galaktosamin GlcNAc = N-Acetyl-Glucosamin Nana = N-Acetyl-Neuraminsäure In Glykoproteinen vorkommende Verknüpfungen mit der Oligosaccharidkette Endoplasmatisches Retikulum co-translational Golgi-Apparat post-translational Glykosaminoglykane - Mucopolysaccharide Glykolipide Struktur des Gangliosids GM-1 Zusammenfassung • Monosaccharide sind Aldehyde oder Ketone mit vielen Hydroxylgruppen • Durch glykosidische Bindung entstehen Oligound Polysaccharide (Homo- und Heteropolymere) • Kohlenhydrate verbinden sich mit Proteinen oder Lipiden zu Glykoproteinen, Proteoglykanen oder Glykolipiden Glucosestoffwechsel Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 58 Natrium-abhängiger Glucosetransport: SGLT1 Glucosetransporter Die zentrale Bedeutung des Glucose-6-phosphats Die Glykolyse – Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat Hexokinase (Glucokinase) Die Glykolyse – Isomerisierung von Glucose-6phosphat zu Fructose-6-phosphat Phosphoglucose-Isomerase Die Glykolyse – Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6bisphosphat Phosphofructokinase Die Glykolyse Spaltung von Fructose-1,6bisphosphat Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 65 Die Glykolyse -­‐ Mechanismus der GAPDH -­‐ Reak/on Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 66 Veränderungen der freien Enthalpie bei der Oxidation von Glycerinaldehyd mit anschließender Bildung von Acylphosphat Die Glykolyse -­‐ Die Reak/on von 1,3-­‐ Bisphosphoglycerat zu 3-­‐Phosphoglycerat Substratkettenphosphorylierung!! Die Glykolyse - Die Umwandlung von 3Phosphoglycerat zu 2-Phosphoglycerat Die Glykolyse -­‐ Die Umwandlung von 2-­‐ Phosphoglycerat zu Phosphoenolpyruvat Die Glykolyse - Die Reaktion von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat Substratkettenphosphorylierung!! Glykolyse 6 1 2 5 4 3 Regulation der Glykolyse Ø Hexokinase Ø Phosphofructokinase Ø Pyruvat-Kinase Regulation der Glykolyse im Muskel Ø Phosphofructokinase wird allosterisch gehemmt durch ATP Ø Hexokinase wird gehemmt durch Glucose-6-Phosphat Ø Pyruvat-Kinase wird allosterisch gehemmt durch ATP Regulation der Glykolyse im Muskel Regulation der Glykolyse in der Leber 1. Das leberspezifische Enzym Glucokinase (= Hexokinase IV) wird nicht durch Glucose-6-phosphat gehemmt 2. Phosphofructokinase wird durch Citrat und ATP gehemmt und durch AMP, ADP und Fructose-2,6-bisphosphat stimuliert Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese über Fructose-2,6-bisphosphat in der Leber * Fructose-2,6-Bisphosphatase Insulin stimuliert Glycolyse P H 2O Phosphofructokinase 2 Fructose-6phosphat Fructose-2,6bisphosphat Fructose-Bisphosphatase 2* P cAMP Gluconeogenese Glucagon, Adrenalin stimulieren Regulation der Glykolyse in der Leber Abbau von Fructose und Glucose Patho -biochemie Aldolase A Affinität für Fru-1-P zu Fru-1,6-BP 1 : 50 1:1 Hereditäre FructoseIntoleranz: Fructose-1-Phosphat inhibiert Fructose-1,6Bisphosphatase & Glykogenphosphorylase à Hypoglykämie!! Aus Löffler/Petrides/Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie, Springer Verlag A (B) Der Polyolweg Schicksal des Pyruvats aerobe Bedingungen anaerobe Bedingungen Lactatdehydrogenase-Reaktion Exkurs: LDH-Isoenzyme Exkurs: LDH-Isoenzyme Patho -biochemie Energiebilanz der Glykolyse Gluconeogenese – Neusynthese von Glucose in Leber und Niere!!! 86 Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat – Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase Biotin!! Export von Oxalacetat über die innere Mitochondrienmembran Fructose-2,6-bisphosphat aktiviert die Phosphofructokinase 1 und inhibiert den Gegenspieler Fructose-1,6-bisphosphatase * Fructose-2,6-Bisphosphatase Insulin stimuliert Glycolyse P H 2O Phosphofructokinase 2 Fructose-6phosphat Fructose-2,6bisphosphat Fructose-Bisphosphatase 2* P cAMP Gluconeogenese Glucagon, Adrenalin stimulieren Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese * * Aus Löffler/Petrides/Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie, Springer Verlag Glucose-6-Phosphatase Glykogenose Typ I (von Gierke): Mangel an Glucose-6-Phosphatase Ausgangsmoleküle für die Gluconeogenese • Lactat/Pyruvat • Glucogene Aminosäuren • Glycerin • Propionat Lactatdehydrogenase Cori-Zyklus Glycerin für die Gluconeogenese Umbau von Propionyl-CoA zu Succinyl-CoA Ungeradzahlige Fettsäuren Isoleucin Valin Threonin O Methionin CH3 CH2 C S CoA Propionyl-CoA CO2 Propionyl-CoA Carboxylase - COO CH3 O CH C Racemase Biotin (Vitamin H) S CoA Methylmalonyl-CoA O - COO CH C S CH3 Methylmalonyl-CoA Mutase D- CoA L- Cobalamin (Vitamin B12) O - COO CH2 CH2 C S CoA Succinyl-CoA Zusammenfassung Ø Die Glykolyse dient der Energiegewinnung Ø Die Glykolyse unterliegt strengen Regulationsmechanismen Ø Glucose lässt sich aus Molekülen, die keine Kohlenhydrate sind, synthetisieren Ø Gluconeogenese und Glykolyse werden reziprok reguliert Erinnerung: Reziproke Regulation von Glykolyse und Gluconeogenese Glykogen-Synthese im Überblick Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 100 1. Aktivierung von Glucose Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 101 2. Synthese von Glykogenin und linearem Glykogen Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 102 3. Verzweigung von Glykogen α(1,4)-α(1,6)-Transglucosylase „Branching enzyme“ Glykogengranula Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 103 Glykogen-Abbau Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 104 Abbau der Verzweigungsstellen im Glykogen Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate 105 Kohlenhydratspeicher in Leber und Muskulatur Gewebe Leberglykogen Muskelglykogen Extrazelluläre Glucose Konzentration (g/100 g Gewebe) Gesamtmenge (g) 0 - 10 0 - 150 1 250 0.1 15 Regulation des Glykogen-Stoffwechsels in der Leber und im Muskel AMP Glykogenphosphorylase Glykogensynthase P Glykogenphosphorylase (Allosterisch) Glucose-1-P Glykogensynthase Muskel (Interkonversion) ATP Glu-6-P Glycogenphosphorylase P Glycogen PhosphorylaseKinase P Proteinkinase A Adrenalin, Glukagon Adenylatcyclase cAMP Proteinkinase A Insulin Phospho diesterase AMP PhosphorylaseKinase Phosphorylase-Kinase ist ein multimeres Enzym, das u.a. Calmodulin als Untereinheit besitzt à Stimulation auch durch Ca2+ ! Regulation der Glykogensynthase durch eine spezifische Kinase 108 Hormonelle Regulation des GlucoseStoffwechsels in der Leber Insulin1 1 Glucagon Glykolyse Transcription Interkonversion Gluconeogenese Transcription Interkonversion Glykogen-Aufbau Interkonversion Glykogen-Abbau Interkonversion Insulin fördert die Glucose-Aufnahme in peripheren Geweben (Einbau von GLUT4-Transportern) sowie den Glykogen-Aufbau im Muskel 6-jähriges Mädchen mit Glykogenose Typ I (Morbus von Gierke) Ursache: Erblicher Glucose-6-PhosphataseMangel Leitsymptome: u.a. Hepatomegalie, hypoglykämische Schocks Die zentrale Bedeutung des Glucose-6-phosphats X Erinnerung: Stoffwechselwege werden u.a. durch das Substratangebot reguliert !! Zusammenfassung Glykogen Ø Glykogen ist ein leicht mobilisierbarer Energiespeicher Ø Glykogen wird auf verschiedenen Wegen synthetisiert und abgebaut Ø Glykogensynthese und –abbau werden reziprok reguliert Ø Synthese und Abbau stehen unter hormoneller Kontrolle Ø Schlüsselenzyme sind Glykogen-Phosphorylase und Glykogen-Synthase Patho -biochemie Galactose-Stoffwechsel Defekt bei klassischer Galactosämie Aus Löffler/Petrides/Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie, Springer Verlag Funktionen des Pentose-Phosphat-Wegs à Bereitstellung von NADPH als Reduktionsmittel für Biosynthesen à Produktion von Ribose-5-phoshpat für die Nukleotidsynthese à Oxidationsschutz: Regeneration des Antioxydans Glutathion mit NADPH (Erythrozyten!!) Pentose-Phosphat-Weg im Überblick GSH = Glutathion 1. Oxidativer Teil x3 + 2 2. Regenerativer Teil Aus Löffler/Petrides/Heinrich: Biochemie und Pathobiochemie, Springer Verlag Glutathion – ein Peptid zum Oxidationsschutz (Vereinfachte Darstellung!) Pentose-Phosphat-Weg: Der oxidative Teil Pentose-Phosphat-Weg: Regenerativer Teil Glycerinaldehyd-3-P Ribulose-5-P TPP = Thiamin-PP (Vitamin B1) Sedoheptulose-7-P Transaldolase Ribose-5-P Fructose-6-P Erythrose-4-P Xylulose-5-P Transketolase (TPP) Transketolase (TPP) Xylulose-5-P Glycerinaldehyd-3-P Sedoheptulose-7-P Glycerinaldehyd-3-P Fructose-6-P Verknüpfung von Pentose-PhosphatWeg und Glykolyse Energiestoffwechsel - Kohlenhydrate Situation 1: Der Bedarf an C5-Zuckern ist höher als der an NADPH Situation 2: Der Bedarf an C5-Zuckern und NADPH ist ausgewogen Situation 3: Der Bedarf an NADPH ist höher als der an C5-Zuckern Situation 4: Sowohl NADPH als auch ATP werden benötigt Zusammenfassung Ø Der Pentose-Phosphat-Weg erzeugt NADPH und C5-Kohlenhydrate Ø Der Stoffwechsel von Glucose-6-phosphat im Pentose-Phosphat-Weg ist mit der Glykolyse koordiniert Ø Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase spielt eine Schlüsselrolle beim Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies Glucose-Stoffwechsel in unterschiedlichen Geweben / Zelltypen Erythrozyten Glucose NADPH als OxidationsSchutz!! PentosePhosphat -Weg Glucose-6-P 2 Lactat Cori-Zyklus!! 2 H+ Glucose-Stoffwechsel in unterschiedlichen Geweben / Zelltypen ZNS / Neuronen Glucose Pentosephosphatweg Glucose-6-P 2 Pyruvat 2 CO2 2 Acetyl~CoA TCC 4 CO2 Glucose-Stoffwechsel in unterschiedlichen Geweben / Zelltypen Herz- und Skelettmuskel Glucose Pentosephosphatweg Glucose-6-P Glykogen 2 Pyruvat 2 Lactat 2 CO2 2 H+ 2 Acetyl~CoA TCC 4 CO2 Glucose-Stoffwechsel in unterschiedlichen Geweben / Zelltypen Fettgewebe Glucose Pentosephosphatweg Glucose-6-P 2 Pyruvat 2 CO2 2 Acetyl~CoA Fettsäuren Glucose-Stoffwechsel in unterschiedlichen Geweben / Zelltypen Leber Glucose Pentosephosphatweg Glucose-6-P Glykogen Glucuronide 2 Pyruvat Glucose 2 Lactat 2 CO2 2 H+ 2 Acetyl~CoA TCC Export! Fettsäure/Lipide 4 CO2
