4.8 Metabolismus der Kohlenhydrate
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www.biorama.ch H.P. Köchli 4 Kohlenhydrate http://www/biorama/biblio/b10skript/s20bchem/b1002kohl.doc 4.1 Herkunft und Definition .................................................................................. 3 4.2 Grundbegriffe ................................................................................................ 3 4.2.1 Aldosen und Ketosen ........................................................................................................... 4 4.2.2 Anzahl C-Atome und die Nummerierung der C-Atome ........................................................ 4 4.2.3 Chiralität: D- und L-Formen ................................................................................................. 5 4.2.4 Die Ringbildung der Monosaccharide, - und -Konfiguration............................................. 6 4.3 Unterteilung der Kohlenhydrate ..................................................................... 7 4.3.1 Unterteilung aufgrund der Molekülgrösse ............................................................................ 7 4.3.2 Unterteilung aufgrund der Funktion ..................................................................................... 7 4.4 Monosaccharide ............................................................................................ 8 4.4.1 Einteilung der Monosaccharide ............................................................................................ 8 4.4.2 Einfache Zucker ................................................................................................................... 8 4.5 Derivate der einfachen Zucker .................................................................... 10 4.5.1 Aminozucker und acetylierte Aminozucker ........................................................................ 10 4.5.2 Saure Monosaccharide ...................................................................................................... 10 4.5.3 Phosphorsäureester .......................................................................................................... 11 4.5.4 Umwandlung von Monosacchariden .................................................................................. 11 4.6 Disaccharide ............................................................................................... 12 4.6.1 Bildung der Disaccharide ................................................................................................... 12 4.6.2 Maltose und Isomaltose ..................................................................................................... 12 4.6.3 Lactose .............................................................................................................................. 13 4.6.4 Saccharose ........................................................................................................................ 13 4.7 Polysaccharide ............................................................................................ 14 4.7.1 Einteilung der Polysaccharide............................................................................................ 14 4.7.2 Stärke ................................................................................................................................ 14 4.7.3 Glycogen............................................................................................................................ 15 4.7.4 Cellulose ............................................................................................................................ 15 4.7.5 Mucopolysaccharide .......................................................................................................... 15 4.7.6 Proteoglykane .................................................................................................................... 16 68615667 13.05.16 1 / 22 Biochemie: Kohlenhydrate 4.8 AZG Luzern Metabolismus der Kohlenhydrate ................................................................ 17 4.8.1 Einleitung .......................................................................................................................... 17 4.8.2 Verdauung und Aufnahme der Kohlenhydrate .................................................................. 17 4.8.3 Abbau und Umbau der Kohlenhydrate .............................................................................. 17 4.8.4 Der Abbau der Glucose: die Glycolyse ............................................................................. 18 4.8.5 Die Speicherung der Glucose: das Glycogen ................................................................... 20 4.8.6 Die Neubildung der Glucose: die Gluconeogenese .......................................................... 20 4.9 Stoffwechselwege der Glucose ................................................................... 21 Anhang: Mögliche D-Aldosen mit 3 bis 6 C-Atomen 2 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4 Kohlenhydrate 4.1 Herkunft und Definition Kohlenhydrathaltige Nahrungsmittel sind (neben den Zuckern) vor allem Getreide und alle Getreideprodukte, Hülsenfrüchte, Kartoffeln, Gemüse und Obst. Kohlenhydrate sind eine wesentliche Energiequelle des Organismus. Der Aufbau der Kohlenhydrate in den Pflanzen erfolgt über die Photosynthese, bei der aus CO 2, Wasser und Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll Glucose aufgebaut wird. Die Kohlenhydrate Zucker, Stärke, Glykogen, Dextrine und Zellulose sind aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufgebaut. Die Beobachtung, dass dabei die Elemente C, H und O im Verhältnis 1:2:1 auftreten, was sich in der Summenformel als (CH2O)n darstellen lässt, hat zur Bezeichnung Kohlenhydrate, d.h. Hydrate des Kohlenstoffs geführt. Obwohl heute auch Verbindungen zu den Kohlenhydraten gezählt werden, welche dieser Bedingung nicht genügen, und zudem Substanzen bekannt sind, welche zwar den Bedingungen genügen, aber keine Kohlenhydrate sind, wie beispielsweise die Essigsäure (C2H4O2) oder die Milchsäure (C3H6O3), wurde die Bezeichnung beibehalten. Heute werden Kohlenhydrate definiert als Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr HydroxyGruppen. R1 O R C C O R OH R2 H Aldehyd Keton Hydroxy-Gruppe Abb. 4.1: Aldehyde oder Ketone und Hydroxy-Gruppen bilden zusammen mit einem Kohlenstoffskelett (R-) die Kohlenhydrate. 4.2 Grundbegriffe Die folgenden Grundbegriffe beschreiben die verschiedenen Merkmale, welche die einzelnen Kohlenhydrate beschreiben und damit eine Unterteilung ermöglichen. Diese Grundmerkmale sind Aldosen und Ketosen Anzahl und Nummerierung der C-Atome. Die Kenntnis über die Nummerierung der CAtome ist von Nutzen bei der Beschreibung von Bindungen der Monosaccharide miteinander, aber auch bei der Bindung anderer Moleküle Chiralität Ringbildung der Monosaccharide: 68615667 o - und -Konfiguration o Pyranosen und Furanosen 13.05.16 3 Biochemie: Kohlenhydrate 4.2.1 AZG Luzern Aldosen und Ketosen Kohlenhydrate mit einem Aldehyd werden als Aldosen, Kohlenhydrate mit einem Keton als Ketosen bezeichnet. Kohlenhydrate entstehen aus Polyalkoholen (= Alkohole mit mehreren OH-Gruppen) dadurch, dass eine Hydroxy-Gruppe zu einer Carbonyl-Gruppe dehydriert wird, was sich am einfachsten am Glycerin (Glycerol) zeigen lässt: O H C H C OH CH2OH 2H Glycerinaldehyd CH2 OH CH2OH CH2 OH C CH2 OH Glycerol 2H O CH2OH Dihydroxyaceton Abb. 4.2: Bildung der beiden einfachen Zucker Dihydroxyaceton (Ketose) und Glycerinaldehyd (Aldose) aus dem Polyalkohol Glycerin (Glycerol) durch Abgabe von 2 Wasserstoffatomen. Bei den Aldosen ist die Carbonyl-Gruppe (C=O) am Anfang der Kohlenstoffkette (C1-Atom), bei den Ketosen innerhalb der Kohlenstoffkette (in der Regel am C2-Atom). 4.2.2 Anzahl C-Atome und die Nummerierung der C-Atome Entsprechend der Anzahl C-Atome in der Kohlenstoffkette werden Zucker unterteilt in: Anzahl C-Atome Bezeichnung 3 Triosen 4 Tetrosen 5 Pentosen 6 Hexosen 7 Heptosen Die einfachsten Zucker sind demnach die Triosen mit 3 C-Atomen, d.h. sowohl Glycerinaldehyd (Aldose) wie auch Dihydroxyaceton (Ketose) sind Triosen. Die in der Nahrung vorkommenden einfachen Zucker sind vorwiegend Hexosen. Ribose und Desoxyribose in der Erbsubstanz (Nucleinsäuren) gehören zu den Pentosen. Nummerierung der C-Atome Die Kohlenstoffatome des Kohlenhydratgerüstes werden nummeriert. Dabei beginnt man bei demjenigen C-Atom, welches der Aldehyd-Gruppe bzw. der Keton-Gruppe am nächsten ist. 4 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern O H H 1 C H C OH C O H C OH 2 HO C H 3 HO C H H C OH 4 H C OH H C OH 5 H C OH CH2OH 6 D-Glucose CH2OH D-Fructose Abb. 4.3: Nummerierung der Kohlenstoffatome bei Kohlenhydraten am Beispiel einer Aldose (Glucose) und einer Ketose (Fructose). 4.2.3 Chiralität: D- und L-Formen Aldosen mit drei oder mehr C-Atomen und Ketosen mit vier oder mehr C-Atomen enthalten sogenannte asymmetrische Zentren, d.h. sie besitzen Kohlenstoffatome mit 4 verschiedenen Substituenten. Je nach dem, ob die Hydroxy-Gruppe am zweitletzten C-Atom nach rechts oder links schaut, unterscheidet man zwischen D- und L-Formen. Moleküle, die sich in dieser Art spiegelbildlich verhalten, werden als Enantiomere oder Stereoisomere bezeichnet. CH2 OH CH2 OH CH2 OH Glycerol O H C HO C O H C H +2H H C OH CH2OH CH2OH L-Glycerinaldehyd D-Glycerinaldehyd +2H Abb. 4.4: Entsprechend der Stellung der OH-Gruppe am "zweitletzten" C-Atom unterscheidet man zwischen D- und L-Glycerinaldehyd. Enantiomere besitzen den gleichen Namen, allerdings mit unterschiedlichem Präfix L oder D. In der Natur dominieren bei den Kohlenhydraten die D-Formen. Die Zahl der möglichen Aldosen wächst mit jedem C-Atom um den Faktor 2. Ausgangspunkt sind bei den Aldosen das D- und das L-Glycerinaldehyd. Die Abbildung im Anhang zeigt die möglichen Aldosen, wenn man vom D-Glycerinaldehyd ausgehend Kohlenstoffatome in die C-Kette einfügt. 68615667 13.05.16 5 Biochemie: Kohlenhydrate 4.2.4 AZG Luzern Die Ringbildung der Monosaccharide, - und -Konfiguration In Lösung sind Zucker grösstenteils nicht in Kettenform vorhanden, sondern bilden durch kovalente Bindung der Carbonyl-Gruppe mit einer Hydroxy-Gruppe innerhalb der Kohlenstoffkette zyklische Strukturen. CH2OH 6 4 CH2OH O OH 5 1C OH HO 3 O H OH HO 2 OH H C OH OH Abb. 4.5: Abb. 4.5: Ringbildung der Glucose A: Glucose in Kettendarstellung B: der Sauerstoff der Carbonyl-Gruppe ist mit dem C5-Atom verbunden Bewährt hat sich die Darstellung nach Haworth: 4 HO 6 CH2OH 5 O 1 OH 3 2 OH OH Abb. 4.6: Darstellung des Ringschlusses bei der Glucose nach Haworth. Bei der üblichen Darstellung werden die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome innerhalb des Ringes nicht geschrieben. Die Ringbildung ist möglich für Zucker, bei denen am Kohlenstoffatom mit der Carbonyl-Gruppe eine Kette von 3 oder mehr C-Atomen hängt. Die - und -Konfiguration Bei der Ringbildung entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom. Schaut die Hydroxy-Gruppe am C1-Atom nach unten, so spricht man von einer -Konfiguration, andernfalls von einer Konfiguration. Die beiden Konfigurationen werden als Anomere bezeichnet. - und -Konfiguration gehen leicht ineinander über (Mutarotation). Pyranosen und Furanosen Reagiert bei der Ringbildung von Aldohexosen die OH-Gruppe des C5-Atoms mit dem C1-Atom, so entsteht ein 6er-Ring, bestehend aus 5 Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom. Chemisch wird dieser Ring als Pyran bezeichnet, folglich heissen alle Zucker mit diesem 6er-Ring Pyranosen. Es kann aber auch die OH-Gruppe am C4-Atom mit dem Kohlenstoffatom C1 reagieren. Dabei entsteht ein 5er Ring; diese Kohlenhydrate werden als Furanosen bezeichnet. 5 4 O O 5 HO CH2OH 1 OH 3 2 OH OH Pyranose 4 HO 1 OH 3 2 OH OH Furanose Abb. 4.7: Pyranose und Furanose 6 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.3 Unterteilung der Kohlenhydrate 4.3.1 Unterteilung aufgrund der Molekülgrösse Die Kohlenhydrate lassen sich unterteilen in 4.3.2 Monosaccharide (einfache Zucker) Disaccharide (2 Monosaccharide) Oligosaccharide (3-10 Monosaccharide) und Polysaccharide Unterteilung aufgrund der Funktion Kohlenhydrate kommen in Form der Monosaccharide und Disaccharide als einzelne, kleine Moleküle vor. Diese können sich aber auch zu grösseren Einheiten zusammenschliessen, welche dann als Speicherform dienen oder aber strukturelle Aufgaben übernehmen. Zudem wirken Kohlenhydrate als Signalstoffe. Nährstoffe und Reservestoffe Glucose Glycogen Stärke Bau- und Gerüststoffe Cellulose Chitin Proteoglycane: grosser Polysaccharid- (80-94%) und geringer Proteinanteil. Sie sind am Aufbau der extrazellulären Bindegewebsmatrix beteiligt und besitzen ein hohes Wasserbindungsvermögen Signal- und Informationsträger Glycoproteine: Proteine mit einem Kohlenhydratanteil in Form von Oligosacchariden (Membranrezeptoren) Bestandteile der Erbsubstanz Desoxyribose in der DNS (Desoxyribonucleinsäure, DNA) Ribose in der RNS (Ribonucleinsäure, RNA). 68615667 13.05.16 7 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.4 Monosaccharide 4.4.1 Einteilung der Monosaccharide Monosaccharide sind die kleinsten Einheiten der Kohlenhydrate. Sie sind durch Säuren (z.B: Magensäure) nicht spaltbar. Zu den Monosacchariden zählen die einfachen Zucker sowie deren Derivate. Die wichtigsten Vertreter der einfachen Zucker sind die Hexosen o Glucose (Traubenzucker, Glc), o Fructose (Fruchtzucker, Fru) sowie o Galactose (Cerebrose, Gal) die Pentosen o Ribose und o Desoxyribose. Bei den Derivaten werden weitere Gruppen an die einfachen Zucker gebunden. Wichtige Funktionen nehmen die Aminozucker, die acetylierten Aminozucker und die sauren Monosaccharide ein. 4.4.2 Einfache Zucker Aufbau von Glucose, Galactose und Fructose Diese einfachen Zucker bestehen ausschliesslich aus den Elementen C, O und H. 4 HO 6 CH2OH 5 O HO 1 OH 3 CH2OH 6 2 4 OH 6 CH2OH O O 5 1 OH 3 OH 2 5 OH 4 3 OH -D-Galactose 2 HO OH -D-Glucose OH CH2OH 1 -D-Fructose Abb. 4.8: Monosaccharide: Hexosen Die beiden Aldosen Glucose und Galactose im Vergleich mit der Ketose Fructose. Ribose und Desoxyribose CH2OH CH2OH O OH OH OH -D-Ribose O OH OH -D-Desoxyribose Abb. 4.9: Monosaccharide: Pentosen: Ribose und Desoxyribose 8 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern Desoxyribose kommt in der DNA (= DNS, Desoxyribonucleinsäure), Ribose in der RNA (= RNS, Ribonucleinsäure) vor. Fucose Fucose (Fuc, 6-Desoxy-L-Galactose) ist ein Desoxyzucker (C6H12O5), der als Bestandteil von Oligosacchariden der Frauenmilch, von Glycoproteinen der Blutgruppen und in Meeralgen vorkommt. O 5 4 HO CH3 1 HO 3 2 OH OH -L-Fucose Abb. 4.10: Fucose ist einer der wenigen Zucker, die in der L-Form vorliegen. 68615667 13.05.16 9 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.5 Derivate der einfachen Zucker 4.5.1 Aminozucker und acetylierte Aminozucker CH2OH O HO OH OH NH2 -D-Glucosamin Abb. 4.11: Beim -D-Glucosamin ist die OH-Gruppe des C2-Atoms durch eine Amino-Gruppe ersetzt worden. Durch Bindung von Essigsäure an die Amino-Gruppe des Aminozuckers entstehen acetylierte Aminozucker. CH2OH O HO CH2OH OH O HO OH OH OH HN C HN CH3 O C CH3 O -N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc) -N-Acetyl-D-Galactosamin (GalNAc) Abb. 4.12: GlcNAc leitet sich von der Glucose, GalNAc von der Galactose ab. Galactosamin ist ein häufiger Bestandteil von Glycoproteinen. 4.5.2 Saure Monosaccharide Eine Oxydation ist nur an den Enden der Zuckerkette möglich, also bei der Glucose am C 1- und C6Atom. 10 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 6 COOH 5 O 4 CH2OH OH HO 3 HO C H O CH2OH OH 5 HO H COOH D-Glucuronsäure 4 C OH 2 OH 6 HO 1 HO OH OH COOH OH NH 1 3 2 C CH3 O OH -N-Acetylneuraminsäure (NeuAc, NANA) D-Gluconsäure C6H12O7 Abb. 4.13: Saure Monosaccharide Die Glucuronsäure hat eine wichtige Funktion in der Leber bei der Entgiftung, so beispielsweise auch bei der Ausscheidung des Bilirubins durch die Galle. Gluconsäure ist als Phosphat ein Zwischenprodukt im Pentosephosphatzyklus. 4.5.3 Phosphorsäureester Eine zentrale Stellung im Stoffwechsel nehmen die Verbindungen der Monosaccharide, insbesondere der Glucose und Fructose, mit Phosphorsäure ein. Die Phosphat-Gruppe kann dabei vom C1Atom oder vom C6-Atom gebunden werden. O CH2 OH + HO P O O H2 C O O P O O H2O O HO O OH HO OH OH OH OH OH -D-Glucose + Phosphat -D-Glucose-6-Phosphat Abb. 4.14: Glucose-6-Phosphat 4.5.4 Umwandlung von Monosacchariden Epimerisierung: Umkehr der sterischen Anordnung an einem C-Atom Beispiel: in der Leber wird Galactose in Glucose umgewandelt. Isomerisierung: Umwandlung von Aldose in Ketose und umgekehrt. Beispiel: beim Abbau der Glucose durch die Glycolyse wird Glucose-6-Phosphat in Fructose-6-Phosphat umgewandelt. 68615667 13.05.16 11 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.6 Disaccharide 4.6.1 Bildung der Disaccharide Disaccharide werden durch Verknüpfung von zwei Monosacchariden (glycosidische Bindung) gebildet. Die wichtigsten Vertreter der Disaccharide sind: 4.6.2 Maltose (Malzzucker) = Glucose + Glucose, Lactose (Milchzucker) = Galactose + Glucose Saccharose (Rohrzucker) = Glucose + Fructose. Maltose und Isomaltose Maltose entsteht aus dem Zusammenschluss zweier Glukosemoleküle, wobei Wasser frei wird. Die Verknüpfung erfolgt zwischen den Kohlenstoffatomen C1 mit einer Hydroxy-Gruppe in alphaStellung und C4 des zweiten Moleküls, so dass eine 1,4-glycosidische Verbindung entsteht: Glucose- 1,4-Glucose. 4 HO 6 CH2OH 6 CH2OH 5 O 5 O OH 3 2 1 4 OH HO H2O 1 OH 3 OH 2 4 OH HO 6 CH2OH 6 CH2OH 5 O 5 O 3 OH -D-Glucose 1 OH 4 O 2 3 OH -D-Glucose 1 OH 2 OH OH -D-Maltose Abb. 4.15: Maltose besteht aus 2 Glucosemolekülen, die mit einer -1,4-Bindung verbunden sind. Isomaltose Bei der Isomaltose erfolgt die Verknüpfung der beiden Glucosemoleküle zwischen dem C 1- und dem C6-Atom. 4 HO 6 CH2OH 5 O O 1 OH 3 CH2OH H2O 2 OH HO OH OH O OH -D-Isomaltose -D-Glucose CH2 OH CH2 O HO OH O OH OH HO -D-Glucose OH OH OH Abb. 4.16: Isomaltose (Glucose- 1,6-Glucose) 12 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate 4.6.3 AZG Luzern Lactose Die nur schwach süsse Lactose (Galactose-1,4-Glucose) kommt ausschliesslich in der Milch vor und besteht aus Galactose und Glucose. Da es sich um eine -glycosidische Verbindung der beiden Monosaccharide handelt, kann das Molekül auf zwei Arten dargestellt werden: HO CH2OH CH2OH CH2OH O O O H O OH OH H OH OH HO OH Lactose OH O OH H OH H OH OH CH2OH Lactose Abb. 4.17: Zwei verschiedene Darstellungsmöglichkeiten des Lactosemoleküls. Bei der Darstellung links wurde das zweite Monosaccharid "auf den Kopf" gestellt. Lactose kann durch das Enzym Lactase gespalten werden. 4.6.4 Saccharose Saccharose besteht aus Glucose und Fructose ( Glucose- 1, 2-Fructose). Im Pflanzenreich ist die Saccharose die Transportform der Kohlenhydrate und dient auch als lösliche Kohlenhydrat-Reserve. Da sie sehr süss ist, wird sie zum Zuckern von Speisen geschätzt. Besonders reich an Saccharose sind Zuckerrohr und Zuckerrüben. Durch enzymatische Hydrolyse des saccharosehaltigen Blüten-Nektars im Verdauungstrakt der Bienen entsteht der Honig, eine Mischung aus Glucose und Fructose. 68615667 13.05.16 13 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.7 Polysaccharide 4.7.1 Einteilung der Polysaccharide Durch glycosidische Verknüpfung vieler Monosaccharide entstehen Oligo- bzw. Polysaccharide. Polysaccharide haben sehr unterschiedliche Funktionen: 4.7.2 Glycogen und Stärke sind Speicherformen der Glucose Cellulose ist ein wesentlicher Bestandteil der Pflanzenzellwände Proteoglycane bilden die Grundsubstanz des Interzellularraums Glycoproteine sind zusammen mit den Glycolipiden wichtige Bestandteile der Zellmembranen. Stärke Stärke besteht aus unverzweigter Amylose und aus verzweigtem Amylopectin. Amylose ist poly- 1,4-Glucose: CH2OH CH2OH O O OH OH O OH OH n Amylose Abb. 4.18: Die in der Stärke vorkommenden Amylose besteht aus linearen Ketten von 1-4 verknüpften Glucosemolekülen. Amylopectin ist poly-1,4-1,6-Glucose. Durch die Verbindung zwischen den C1- und C6-Atomen entstehen Verzweigungen. CH2OH CH2OH O O OH O OH O OH OH CH2OH CH2OH O O OH O OH OH CH2 O O OH CH2OH OH O O OH OH OH Abb. 4.19: Amylopectin. Im Mittel verzweigt sich die Kette jeweils nach 25 Glucosemolekülen. 14 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate 4.7.3 AZG Luzern Glycogen Glykogen ist eine verzweigte Kette, aufgebaut aus bis zu 100’000 Glucosemolekülen. Glykogen ist die Kohlenhydratreserve des Menschen und wird vor allem in Leber und Muskulatur gespeichert. 1,4-glycosidische Bindung 1,6-glycosidische Bindung Abb. 4.20: Schematische Darstellung eines Glycogenmoleküls. Durch 1,4-glycosidische Bindungen entstehen lineare Ketten, 1,6-glycosidische Bindungen führen zu Verzweigungen. Glycogen ist wesentlich stärker verzweigt als Amylopectin, nach jedem 8. bis 12. Glucosemolekül tritt eine Verzweigung auf. Da für den osmotischen nur die Anzahl der Teilchen von Bedeutung ist, kann durch den Zusammenschluss von vielen einzelnen Glucosemolekülen zu Glycogenmolekülen eine grosse Wassereinlagerung in die Zelle vermieden werden. 4.7.4 Cellulose Cellulose bildet ein lineares, unverzweigtes Molekül aus 1-4 verknüpften Glucosemolekülen. Cellulosemoleküle können mehr als 10’000 Glucosereste enthalten und eine Länge von 6-8 mm erreichen. Sie sind mechanisch stabil, wasserunlöslich und gegenüber chemischer und enzymatischer Hydrolyse sehr widerstandsfähig. Im menschlichen Darmtrakt kann Cellulose nicht abgebaut werden. Pflanzliche Zellwände bestehen fast zur Hälfte aus Cellulose, bei Baumwollfasern liegt der Celluloseanteil sogar bei 98%. 4.7.5 Mucopolysaccharide Die sauren Mucopolysaccharide, auch als Glykosaminglykane bezeichnet, bestehen aus Disaccharideinheiten, welche 1-4-glykosidisch zu linearen Polysacchariden verbunden sind. Diese Disaccharideinheiten bestehen aus Glucuronsäure und Aminozuckern, die 1-3-glykosidisch verbunden sind. Diese Einheiten können zudem noch sulfatiert oder acetyliert sein. Hyaluronsäure CH2OH COOH O O O O OH HO OH D-Glucuronsäure NH C CH3 O -N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc) n Abb. 4.21: Hyaluronsäure: Glucuronsäure--1-3-N-Acetyl-Glucosamin 68615667 13.05.16 15 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern Hyaluronsäure ist ein wichtiger Bestandteil verschiedener Gewebe: Bindegewebsgrundsubstanz, z.B. der Haut Synovialflüssigkeit Glaskörper des Auges Knorpel Hyaluronsäure ist in der Lage Wasser bis zum 10’000-fachen des Eigenvolumens gelartig zu fixieren. So enthält der Glaskörper des Auges ca. 1% Hyaluronsäure und 98% Wasser. Hyaluronidasen können Hyaluronsäure rasch spalten, wodurch Fremdsubstanzen sowie Bakterien leicht in das Gewebe eindringen können. Chondroitinsulfat C (Glucuronsäure-N-Acetyl-Sulfo-Galactosamin) Chondroitinsulfat kommt vor allem vor in Bindegewebe, Knochen und Haut. Keratansulfat (D-Galactose-N-Acetyl-Glucosamin-6-sulfat) Keratansulfat spielt eine Rolle als Bestandteil der Kornea und des Knorpels. 4.7.6 Proteoglykane Werden Mucopolysaccharide im Gewebe kovalent über die Aminosäuren Serin oder Threonin an Proteine geknüpft, entstehen Proteoglykane. Sie sind durch einen grossen Glykananteil (=Polysaccharidanteil) von 80-94% und einen kleinen Proteinanteil (6-20%) gekennzeichnet. Proteoglykane sind am Aufbau der extrazellulären Bindegewebsmatrix beteiligt und besitzen ein hohes Wasserbindungsvermögen. Anmerkung: im Gegensatz dazu bestehen Glykoproteine vorwiegend aus Proteinen, wobei der Kohlenhydratanteil in Form von Oligosaccharidketten vorliegt. Glycoproteine findet man vor allem an der Aussenseite von Zellmembranen als "Erkennungsmoleküle". 16 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern 4.8 Metabolismus der Kohlenhydrate 4.8.1 Einleitung Der Metabolismus der Kohlenhydrate kann unterteilt werden in: Verdauung / Aufnahme (Resorption) im Darm aus der Nahrung Um- und Abbau der Kohlenhydrate / Neubildung von Kohlenhydraten Speicherung der Kohlenhydrate Die Steuerung dieser Stoffwechselwege obliegt dem Angebot und der Nachfrage an Kohlenhydraten den an diesen Stoffwechselpfaden beteiligten Enzymen und Hormonen, welche die Glucosekonzentration im Blut regulieren: Insulin, Glucagon, Cortisol, Adrenalin u.a. Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels werden unterteilt in 4.8.2 Hyperglykämien Hypoglykämien Angeborene Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels Verdauung und Aufnahme der Kohlenhydrate Die Verdauung der Kohlenhydrate beginnt im Mund, wenn die gut zerkaute Nahrung der von den Speicheldrüsen freigesetzten Amylase ausgesetzt wird. Die Amylase spaltet nach dem Zufallsprinzip a,1-4-Bindungen, das Ergebnis sind Kohlenhydratbruchstücke verschiedener Grösse (Dextrine) und Maltose. Der saure Magensaft inaktiviert nach und nach die Amylase aus den Speicheldrüsen. Im Darm vollendet die pankreatische Amylase die Aufspaltung von Stärke und Glycogen in Maltose. Die intestinalen Disaccharidasen spalten sowohl Maltosen wie auch Lactose- und Saccharosemoleküle, so dass schlussendlich die Kohlenhydrate als Monosaccharide Glucose, Galactose und Fructose von den Darmzellen aufgenommen und in das Blut überführt werden, wo sie über den portalen Kreislauf zuerst einmal in die Leber gelangen. 4.8.3 Abbau und Umbau der Kohlenhydrate Da von den Kohlenhydraten ausschliesslich Glucose vom Organismus zur Energiegewinnung genutzt werden kann, werden Galactose und Fructose in der Leber in Glucose umgewandelt. In einem ersten Schritt wird dann vom ATP eine Phosphatgruppe auf das C6-Atom des Glucosemoleküls übertragen. Diese Reaktion wird in den Leberzellen von der Glucokinase, in den übrigen Zellen von der Hexokinase katalysiert. CH2 OH H2C O P O Hexokinase/Glucokinase + H2O + ADP + ATP OH HO OH Mg2+ HO OH OH OH OH -D-Glucose + Phosphat -D-Glucose-6-Phosphat Abb. 4.22: Glucose-6-Phosphat Magnesium ist ein Aktivator des Enzyms Hexokinase. 68615667 13.05.16 17 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern Das Glucose-6-Phosphat ist der Ausgangspunkt für drei verschiedene Stoffwechselwege: Abbau der Glucose durch die Glycolyse Abbau der Glucose im Hexose-Monophosphat-Shunt (Pentosephosphatweg). Endprodukte sind Fructose-6-Phosphat und Glycerinaldehyd-3-Phosphat. Speicherung der Glucose als Glycogen Glycogen Galactose UDP-Glucose CO2 Glucuronat Glucose Glucose-6-Phosphat Pentose-P Fructose-6-Phosphat Pyruvat Lactat Abb. 4.23: Die zentrale Stellung des Glucose-6-Phosphats im Glucosestoffwechsel (UDP: Uridindiphosphat) 4.8.4 Der Abbau der Glucose: die Glycolyse Der Abbau der Glucose bis zu Pyruvat / Lactat wird als Glycolyse bezeichnet. Das spezielle daran ist, dass dabei Energie ohne Verwendung von Sauerstoff gewonnen werden kann. Die Enzyme der Glycolyse sind im Cytosol der Zellen lokalisiert. 18 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern ATP ADP 1 Glucose Glucose-6-Phosphat 2 Fructose-6-Phosphat ATP 3 ADP Fructose-1,6-biphosphat 4 Glycerinaldehyd-3-Phosphat Dihydroxyacetonphosphat NAD+ 5 6 NADH+H+ 1,3-Biphosphoglycerat ADP ATP 7 ATP ADP 3-Biphosphoglycerat 8 2-Biphosphoglycerat 9 Phosphoenolpyruvat ADP 10 ATP NADH+H+ NAD+ 11 Pyruvat Lactat Abb. 4.24: Die Glycolyse Enzyme: 1= Hexokinase, Glucokinase 2= Phosphohexoseisomerase, 3= Phosphofructokinase, 4= Aldolase, 5= Triosephosphatisomerase, 6= PhosphoglycerinaldehydDehydrogenase, 7= Phosphoglyceratkinase, 8= Phosphoglyceratmutase, 9= Enolase, 10= Pyruvatkinase, 11= Lactatdehydrogenase (LDH). Wie aus Abbildung 4.24 zu sehen ist, kann man die Glycolyse in zwei Phasen unterteilen: Die erste Phase dient dem Umbau des Moleküls, so dass aus einem Molekül Glucose die beiden gleichartigen Bruchstücke Glycerinaldehyd-3-Phosphat (Glyceral-3-Phosphat) und Dihydroxyacetonphosphat (Glyceronphosphat) entstehen. Die beiden Triosen können zudem ineinander umgewandelt werden. O H C H C H2C CH2OH OH O P Glycerinaldehyd-3-Phosphat C O H2C O P Dihydroxyacetonphosphat In der zweiten Phase sind die beiden energieliefernden Reaktionen lokalisiert. 68615667 13.05.16 19 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffmangel) wird Pyruvat in Lactat umgewandelt, um aus NADH + H+ wieder NAD+ zu gewinnen. Dabei ist die Glycolyse die einzige Möglichkeit das energiereiche ATP aufzubauen. Unter aeroben Bedingungen kann Pyruvat in Citratzyklus und Atmungskette unter weiterem Energiegewinn zu CO2 und Wasser abgebaut werden. Bilanz Bei der Glycolyse wird 1 Molekül Glucose in 2 Moleküle Pyruvat zerlegt. Zudem entstehen 2 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH+H+: CH2OH 2 NAD+ O HO 2 NADH+H+ COOH C OH OH 2 ADP + 2 P OH 2 ATP Glucose COOH O + C CH3 O CH3 Pyruvat Pyruvat Abb. 4.25: Bilanz der Glycolyse Unter anaeroben Bedingungen wird Pyruvat in Lactat umgewandelt, dabei wird NAD + regeneriert: COOH 2 C 2 NADH+H+ 2 NAD+ COOH 2 O H C OH CH3 CH3 Pyruvat Lactat Abb. 4.26: Umwandlung von Pyruvat in Lactat durch das Enzym Lactatdehydrogenase (LDH) 4.8.5 Die Speicherung der Glucose: das Glycogen Glycogen ist die intrazelluläre Kohlenhydratreserve beim Menschen. Besonders reich an Glycogen sind Leber und Muskulatur, allerdings ist der Glycogengehalt der Leber stark vom Ernährungszustand abhängig und sinkt schon nach kürzerem Fasten auf einen Minimalwert. Einzig Erythrozyten enthalten kein Glycogen. Die starke Verzweigung der Glycogenmoleküle ermöglicht es, dass der enzymatische Abbau bei Bedarf gleichzeitig an verschiedenen Orten einsetzen kann. 4.8.6 Die Neubildung der Glucose: die Gluconeogenese In der Leber kann Lactat über Pyruvat wieder zu Glucose aufgebaut werden, wobei 3 Moleküle ATP aufzubringen sind. Diesen Stoffwechselweg nennt man Gluconeogenese. In der Muskulatur fehlen die Enzyme der Gluconeogenese (Glucose-6-Phosphatase). Die Muskelzellen geben daher das Lactat an das Blut ab, womit es zu weiteren Verwendung zur Leber gelangt. Dieses Wechselspiel zwischen Muskulatur und Leber wird als Cori-Zyklus bezeichnet. Aminosäuren, welche bis zu Pyruvat abbaubar sind, können ebenfalls zur Glucoseneubildung herbeigezogen werden. 20 13.05.16 68615667 Biochemie: Kohlenhydrate 4.9 AZG Luzern Stoffwechselwege der Glucose In der folgenden Abbildung ist ein kleiner, und zudem stark vereinfachter Ausschnitt aus dem Stoffwechsel der Glucose dargestellt. Nahrung Darm Stärke Gehirn Glucose Glucose CO2 + H2O Blut Glucose "Blutzucker" Lactat Glycogen Glucose Glucose Glycogen CO2+H2O Pyruvat Pyruvat CO2+H2O Lactat Lactat Leber Muskel Abb. 4.27: Im Darm aufgenommene Glucose wird u.a. zu Gehirn, Leber und Muskeln transportiert. In den Muskelzellen wird Glucose unter Energiegewinn zu Lactat abgebaut. Lactat wird auf dem Blutweg von den Muskelzellen zur Leber transportiert. Die Leber kann Lactat erneut zu Glucose aufbauen, dabei wird allerdings Energie verbraucht. Die Glucose kann von der Leber als Glykogen (= lange Ketten aus Glucosemolekülen) gespeichert oder anderen Organen zur Verfügung gestellt werden. Im Gehirn wird Glucose unter Energiegewinn zu CO2 und H2O abgebaut. Bei der Vielzahl der möglichen Reaktionen ist eine Steuerung des Stoffwechsels lebenswichtig. Praktisch alle Reaktionsschritte werden von Enzymen gesteuert. 68615667 13.05.16 21 Biochemie: Kohlenhydrate AZG Luzern Anhang: Mögliche D-Aldosen mit 3 bis 6 C-Atomen, ausgehend vom D-Glycerinaldehyd. Alle hier gezeichneten Aldosen weisen am vorletzten C-Atom die gleiche Konfiguration auf. O H O H C O H C H C OH HO C O H C H O H C H C OH HO C H O H C C HO C H H C OH HO C H H C OH O H O H C C HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H2COH H2COH H2COH H2COH H2COH H2COH H2COH H2COH D-Allose D-Altrose D-Glucose O H HO C H HO C H D-Mannose D-Gulose D-Idose HO C H HO C H HO C H HO C H D-Galactose D-Talose C C C C H C OH HO C H O H O H O H H C OH H C OH HO C H HO C H HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H2COH H2COH H2COH H2COH D-Ribose D-Arabinose D-Xylose O H D-Lyxose O H C C HO C H H C OH H C OH H C OH H2COH H2COH D-Threose D-Erythrose O H C H C OH H2COH D-Glycerinaldehyd In der gleichen Art lässt sich ein Schema entwickeln, welches auf dem L-Glycerinaldehyd basiert. 22 13.05.16 68615667
