Grundzüge des Energiestoffwechsels I
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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 Stoffwechselvorgänge Glucose Glycolyse Gluconeogenese Pyruvat Aerobe Stoffwechselwege Anaerobe Stoffwechselwege Fettsäuren Milchsäure-Gärung Alkoholische Gärung Lactat Ethanol Pyruvatdecarboxylierung β-Oxidation Acetyl-CoA Glyxoxylat-Cyclus Citratcyclus Atmungskette CO2 RedoxÄquivalente 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-6Phosphat 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 HexosePhosphat-Isomerase ( = PhosphoglucoseIsomerase) zu Fructose-6-Phosphat isomerisiert 2. Phosphorylierung • Unter Verwendung eines weiteren ATP-Moleküls wird Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat phosphoryliert. • 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 allosterisch regulierte 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-Bisphosphat zu Dihydroxyacetonphosphat (C1-C3) und Glycerinaldehyd-3-Phosphat/3Phosphoglycerinaldehyd (C4-C6) • Das beteiligte Enzym ist die Fructose-1,6BisphosphatAldolase Isomerisierung • Von den beiden entstandenen Triosen kann nur der Aldehyd direkt weiter metabolisiert werden. • Die Ketotriose wird durch die TriosephosphatIsomerase umgewandelt. • Somit sind die Aldose und Ketose bezüglich des Energiestoffwechsels äquivalent. Zwischenbilanz • In der Energieinvestitionsphase der Glycolyse wurden 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-3Phosphat • Jedes der beiden resultierenden Glycerinaldehyd-3phosphat-Moleküle wird durch den Multienzymkomplex Glycerinaldehyd-3-PhosphatDehydrogenase, 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 Glycerinaldehyd3-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 1,3Bisphosphoglycerat 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-Phosphoglycerat wird 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. Verbrauch Gewinn -1 x Glucose - 2 ATP + 2 ATP + 2 x NADH/H+ + 2 ATP • 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 • Abhängig vom Organismus, der Enzymausstattung und dem SauerstoffAngebot 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 (Coenzym Thiaminpyrophosphat) 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 exergonen Reaktion, 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 Coenzym benötigt. Malat-Shuttle Bildung von Fructose-6-Phosphat • Im Folgenden werden die Reaktionen der Glycolyse in entgegengesetzter Richtung bis zur Bildung von Fructose-1,6-Bisphosphat durchlaufen. • Die Fructose-Bisphosphatase spaltet den an C1gebundenen Orthohosphat-Rest hydrolytisch ab. Produkt dieser irreversiblen Reaktion ist Fructose6-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-6Phosphatase hydrolysiert wird. Die Produkte werden durch Transporter wieder ins Cytosol gebracht. Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese Kooperation zwischen Glycolyse und Gluconeogenese
