Glykolyse

U. Albrecht BC1
Die Glycolyse (Glucose Katabolismus)
1. Übersicht über die Glykolyse
4. Kontrolle der Glykolyse
2. Reaktionschritte der Glykolyse
5. Stoffwechsel von anderen Hexosen
3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats
6. Der Pentosephosphatweg
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Gesamtübersicht Abbauweg von Glukose.
Glykolyse (glykos = süss, lyse = auflösen)
Glucose -> 2 Pyruvat
Alternativweg für Glucoseabbau =>
Pentosephosphatweg
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1. Übersicht Glykolyse
Phosphorylgruppenübertragungsreaktionen
Stufe I (Investition von Energie)
-2 ATP
Oxidationsmittel NAD+
+ 2 NADH -> 2ATP
NAD+ muss regeneiert werden
Stufe II (Gewinnung von Energie)
+ 4 ATP
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2. Die Reaktionschritte der Glykolyse
A. Hexokinase: Verbrauch des ersten ATP
Mg2+ schirmt neg. Ladungen ab -> γ-Phosphoratom wird zugänglich für
nucleophilen Angriff.
Glucose induziert Konformationsänderung der Hexokinase
Kinase = Enzym das Phosphorylgruppen
auf Metaboliten überträgt. Name des Metaboliten wird vorangestellt -> Hexokinase für
Hexosen, Glucokinase in Leber um Blutglucosespiegel aufrecht zu halten.
Magnesium essentiell !!!
2 Kieferbewegung ->
ATP nähe C6 und
Wasser weg -> keine
Hydrolyse von ATP
= substratinduzierte
Konformationsänderung
vrgl. Adenylat-Kinase
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B. Glucosephosphat-Isomerase
PGI = Phosphoglucose-Isomerase
Aldose wird zu Ketose
Ringöffnung und Ringschluss
Säure-Base katalysiert durch das
Enzym
Schritt 1: Substrat bindet
Schritt 2: Säure (ε-Aminogruppe von Lys)
Schritt 3: Base (Carboxylatgruppe v. Glu) abstrahiert Proton
Schritt 4: H+ an C1 => Protonenübertragung
Schritt 5: Ringschluss
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C. Phosphofructokinase: Verbrauch des zweiten ATP
Ähnlich der Hexokinase Reaktion (Mg2+).
PFK zentral in Glykolyse, da geschwindigkeitsBestimmender Schritt.
AMP erhöht Aktivität
ATP, Citrat allosterische Hemmer (siehe später).
Bisphosphat und nicht diphosphat, da
Phosphatgruppen getrennt.
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D. Aldolase
Spaltung von FBP (1xC6) in 2 C3 Einheiten
Nummerierung der C Atome ändert
= Aldolspaltung
Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung
Enolat-Zwischenprodukt entsteht ->
Resonanzstabilisiert.
G6P->F6P Isomerisierung da nur
F6P gleiche in sich umwandelbare C3
Einheiten liefert die gleich abgebaut
Werden können.
2 Klassen von Aldolasen
Klasse I Aldolasen
Klasse II Aldolasen
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In Pilzen, Algen und Bakterien
Keine Schiffsche Base sondern sondern zweiwertiges Kation
Polarisiert Carbonylsauerstoff -> Stabilisierung des Enolats
Klasse I Aldolasen in Tieren und Pflanzen
Schritt 1: Substratbindung
Schritt 2: Reaktion der Carbonylgruppe mit ε-Aminogruppe
Bildung einer Schiffschen Base.
Schritt 3: Spaltung der C3-C4 Bindung Bildung von Enamin
Schritt 4: Protonierung des Enamins zu Iminiumkation
Schritt 5: Hydrolyse, freies Enzym regeneriert
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E. Triosephosphat-Isomerase (TIM)
Base
Säure
Isomerisierung wie bei G6P->F6P
Aldose->Ketose
Übergangszustand bindet besser an
Enzym als Substrat
Aldose
Ketose
(Analoge zu Endiol, wie 2-Phosphoglykolat
Binden besser an Enzym als Substrate)
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Hefe TIM im Komplex mit 2-Phosphoglykolat
flexible
Schleife
Glu
α/β Fass.
8 β Faltblätter und 8 α Helices
His
Lys
Stereoelektrische Kontrolle durch
Flexible Schleife -> effektive
Umsetzung des Substrates da
Übergangszustand stabilisiert wird.
Geschwindigkeit der Assoziation von
Enzym und Substrat diffusionskontrolliert -> Bildung des Produkts so
rasch wie Aufeinandertreffen von
Enzym und Substrat -> GAP und
DHAP immer im Gleichgewicht
2-Phosphogkykolat
GAP weiter Umgesetzt -> Fliessgleichgewicht -> DHAP wird in GAP umGewandelt -> beide Produkte werden
Im Stoffwechsel umgesetzt.
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Übersicht 1. Stufe der Glykolyse
F. Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase: Bildung des ersten energiereichen
Zwischenprodukts
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Mechanistische Untersuchungen
Cys-Sulfhydrylgruppe
imAktiven Zentrum
Direkte Hydridübertragung
Acyl-Enzym Zwischenprodukt
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Enzymmechanismus der GAPDH
Schritt 1: GAP bindet an Enzym
Schritt 2: Sulfhydrylgruppe greift
Aldehydgruppe an und es
entsteht ein Thiohalbacetal
Schritt 3: Übertragung von Hydridion
auf NAD+ -> Hemiacetal wird
zu Ester oxidiert. Thioester
hohe freie Enthalpie bei
Hydrolyse -> Energie der
Aldehydoxidation gespeichert
in Form von NADH und Thioester.
Schritt 4: NAD+ verdrängt NADH
Schritt 5: Pi greift Thioester an ->
Enzym wird regeneriert und
1,3 BPG entsteht.
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G. Phosphoglycerat-Kinase: Produktion des ersten ATP
Phosphoglycerat-Kinase PGK) 2 lappig ähnlich wie Hexokinase ->
zusamenklappen -> wasserfreie Umgebung. Hexokinase und PGK
Verschiedene Aminosäuresequenzen.
3PG
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Verknüpfung der GAPDH- mit der PGK-Reaktion
GAP + Pi + NAD+
----> 1,3 BPG + NADH
∆G°‘ = +6.7 kJ/mol
1,3 BPG + ADP
----> 3PG + ATP
∆G°‘ = -18.8 kJ/mol
_________________________________________________________________
GAP + Pi + NAD+ + ADP ----> 3PG + NADH + ATP
∆G°‘ = -12.1 kJ/mol
Substratkettenphosphorylierung -> ATP Synthese ohne Sauerstoffbeteiligung
Das NADH und O2 liefert durch die oxidative Phosphorylierung zusätzlich ATP
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H. Phosphoglycerate-Mutase (PGM)
Mutasen katalysieren intramolekulare Übertragungen einer funktionellen Gruppe von einer
Position auf eine andere. Ist nicht direkt sondern über Phospho-His-Rest
Energetisch neutrale Reaktion.
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Postulierter Reaktionsmechanismus der Phosphoglycerat-Mutase
Schritt 1: 3PG bindet an Enzym
His ist phosphoryliert
Schritt 2: Phosphorylgruppe wird
übertragen
Schritt 3&4: Komplex zerfällt
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I. Enolase: Bildung des zweiten energiereichen Zwischenprodukts
Dehydratisierung
Mg2+ für Substratbindung an Enolase nötig. Fluorid ion (F-) blockiert Enolase und damit die Glykolyse.
2PG und 3PG reichern sich an.
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J. Pyruvat-Kinase: Produktion des zweiten ATP
Schritt 1: Phosphorylsauerstoff des ADP greift PEP-Phosphorylatom an -> ATP wird gebildet.
Schritt 2: Tautomerisierung zu Pyruvate.
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Als 2 Stufenprozess betrachtet -> Tautomerisierung setzt mehr Energie frei als PhosphorylgruppenÜbertragung -> Tautomerisierung treibt Reaktion.
Zusammenfassung von Stufe II der Glykolyse
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In Stufe 1 2 ATP investiert
4 ATP werden in Stufe 2 gewonnen (2x2 aus 2 GAP)
2 NADH gewonnen -> oxidative Phosphorylierung.
2 Pyruvat -> Citrat Zykuls (aerobe Bedingungen)
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3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats
Muskel
Milchsäuregärung
Aerobe Bedingungen
Hefe
Alkoholische Gärung
Anaerobe Bedingungen
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A. Milchsäuregärung
His 195 und Arg 171 orientieren
Pyruvat im aktiven Zentrum
Überschüssiges Lactat -> Umwandlung in Pyruvat oder
Transport aus Muskel zu Leber->
Umwandlung von Lactat in
Glucose
Muskelkater nicht wegen Lactat
Anhäufung sondern wegen Säureproduktion der Glykolyse
Im Muskel bei hoher Aktivität und knapper
Sauerstoffversorgung. LDH vollständig
reversible Reaktion -> Gleichgewicht von
Pyruvat und Lactat
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B. Alkoholische Gärung
Reaktion läuft bei der Herstellung von Bier und Wein ab. Auch bei Brot -> CO2 lässt
Teig aufgehen.
Thiaminpyrophosphat (TPP) essentieller Cofaktor der Pyruvatdecarboxylase (dieses Enzym
in Tieren nicht vorhanden).
Kann Carbanion stabilisieren wenn Proton abgegeben wird ->
dipolares Carbanion oder Ylid
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Schritt 1: Ylid C- greift Pyruvat an
Schritt 2: Austritt von CO2 Bildung
eines Carbanions
Schritt 3: Protonierung Carbanion
Schritt 4: Eliminierung Ylid
Bildung von Acetaldehyd
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Reduktion von Acetaldehyd und Regeneration von NAD+
Hefe (Yeast) ADH (=YADH) ist ein tetramer
Jede Untereinheit bindet ein Zink-ion ->
Polarisierung der Carbonylgruppe des Acetaldehyds
-> stabilisiert Übergangszustand.
Säugetiere haben ADH in der Leber = LADH
Beseitigt baktereill produzierten Ethanol (Darmflora)
Und von aussen eingenommenen Ethanol. ->
Reaktion verläuft in umgekehrter Richtung.
LADH ist ein Dimer wobei jedes Monomer 2 Zink
Ionen bindet.
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Energiebilanz der Gärung
Pro Glucose:
Gärung liefert 2 Moleküle ATP
Geschwindigkeit:
100 x
<-----> oxidative Phosphorylierung 38 ATP
1x
Hefe unter anaeroben Bedingungen -> verbraucht mehr Glucose für Wachstum (= Pasteur Effekt).
Muskeln: 2 typen von Fasern
Typ I: schnelle Fasern, fast keine Mitochondrien -> wenig oxidative Phosphorylierung ->
schnelle anaerobe Glykolyse.
Typ II: langsame Fasern. Viele Mitochondrien. Oxidative Phosphorylierung.
4. Kontrolle der Glykolyse
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A. Phospohfructokinase: Kontrolle der Glykolyse im Muskel
Viele Reaktionen der Glykolyse verlaufen am Gleichgewicht -> Fliessgleichgewicht lässt Glykolyse
Kontinuierlich laufen. Abrupte Änderung des Energiebedarfes -> Kontrolle
3 Reaktionen arbeiten fernab des Gleichgewichtes: Hexokinase,
Phosphofructokinase (siehe slide 6)
Pyruvat-Kinase
Mg++
F6P
T
ATP
Negative Änderung der freien Enthalpie -> Kandidaten
für Kontrolle.
Wenn Glycogen statt Glucose im Skelettmuskel verBraucht wird -> Hexokinase Reaktion umgangen
R
R/T
Pyruvat-Kinase ist letzter Reaktionschritt in Glycolyse->
Nicht geeignet als Kontrollpunkt.
Phospohfructokinase (PFK) geeignetster
Kontrollpunkt
2 Untereinheiten
Inhibitorstelle, Aktivatorstelle
PFK = tetramer, R und T Konformationszustände
ATP = Substrat und allost. Hemmstoff (hohe [ATP ])
AMP, ADP, F2,6P = Aktivatoren
F6P = Substrat (R)
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Allosterische Änderung der PFK (Bacillus stearothermophilus)
Aktivator
R-Zustand
T-Zustand
Ionische Wechselwirkung
-/+ F6P gebunden
-/- F6P abgestossen
Inhibitor (PGC= 2 Phosphoglykolat = PEP Analog)
ATP wird durch Creatinkinase und Adenylat-Kinase
Gepuffert. D.h. ATP Konzentrationsveränderungen
Sind relativ gering -> d.h. kann nicht alleine die
Aktivität von PFK regulieren.
-> AMP und ADP heben Hemmung der PFK durch
ATP auf da sie bevorzugt an den R-Zustand binden.
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B. Substratkreislauf
Änderung des Flusses in der Glykolyse 100 fach. Solche drastischen Steigerungen nur möglich wenn Reaktionen
nahe an Gleichgewicht. Dies nicht der Fall für PFK -> Zweites Enzym das Rückreaktion katalysiert ->
Fructose-1,6-Bisphosphatase (FBPase).
PFK:
F6P + ATP --> FBP + ADP
-25.9 kJ/mol
FBPase: FBP + H2O --> F6P + Pi
-8.6 kJ/mol
Kombination --> netto 1 ATP verbraucht
Gruppe von gegenläufigen Reaktionen = Substratkreislauf oder Substratcyclus
Aktivatoren der PFK (AMP, F2.6P)
hemmen die FBPase.
--> Aktivierung PFK --> Inhibierung
FBPase
Essentiell für plötzliche hohe
glycolytische Flussrate bei hohem
Energiebedarf (Fluchtbereitschaft usw.)
Möglicherweise auch hormonell kontrolliert.
Thermogenese (Schilddrüsenhormone).
Chronische Obesitas -> geringerer Stoffwechselumsatz -> verringerte Thermogenese ->
Kälteempfindlich (keine Erhöhung der Schilddrüsenhormone bei Kälte).
Ruhezustand Muskel, beide
Enzyme aktiv -> Fluss gering
Aktiver Muskel -> PFK nimmt zu
FBPase ab --> dramatischer Anstieg
des glykolytischen Flusses
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5. Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose
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A. Fructose
Fructose Brennstoffquelle wenn Früchte oder Saccharose aufgenommen werden.
Muskel und Leber verschiedene Repertoire an Enzymen -> Fructose Abbau verschieden.
Zuviel Fructose (Infusion) -> F1P
schneller produziert als abgebaut->
ATP Konentration in Leber sinkt ->
Glykolyse und Lactatproduktion
steigt -> hohes Lactat im Blut
lebensbedrohlich.
Fructoseunverträglichkeit ->
Typ-B-Aldolase Mangel ->
Individuen entwickeln Abneigung
Gegenüber süssem.
Kann für Synthese von
Triacylglyceriden gebraucht
Werden.
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B. Galactose
Milchprodukte -> Lactose = Disaccharid aus Glucose und Galactose.
Hexokinase erkennt Galactose nicht -> Epimerisierungschritt
Epimerisierung läuft über UDP-Glucose (siehe später).
Galactoseabbau
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Galactosämie
Mangel an Galactose-1-phosphat uridyltransferase ->
Anhäufing toxischer Nebenprodukte -> EntwicklungsStörungen, geistige Retardierung.
Glalactose hoch im Blut -> in Augenlinse umgewandelt
In Galactitol -> grauer Star
Galacotsefreie Diät behebt alle Symptome.
Für Synthese von Glycoproteinen Galactose aus Umkehrung der Epimerisierungsreaktion aus Glucose
synthetisiert.
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C. Mannose
C2 Epimer von Glucose
Hexokinase erkennt Mannose -> Phosphorylierung
6. Der Pentosephosphatweg
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Stufe 1: oxidative Reaktionen
Stufe 2: Isomerisierung und Epimeris.
Stufe 3: Bilden und Spalten von C-C
Stufen 2+3 vollständig reversibel
Energiewährungen in der Zelle:
ATP
NADH -> für ATP Synthese
NADPH -> reduktive Biosynthesen
NAD+/NADH = 1000 Metabolitenoxidation
NADP+/NADPH = 0.01 reduktive Biosynth.
NADPH durch oxidation von G6P erzeugt,
aber nicht in Glycolyse sondern in
Separatem Weg -> Pentosephosphatweg
Vor allem in Geweben mit Lipidbiosynthese:
Leber, Milchdrüsen, Fettgewebe, Nebennierenrinde
30% der Glucoseoxidation in der Leber
Über Pentosephosphatweg
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A. Stufe 1: Oxidation unter Bildung von NADPH und Ribulose-5-phosphat
Startpunkt G6P aus Glykolyse (Hexokinase) oder Glykogenabbau
1. Glucose-6-phosphate dehydrogenase
-> Lacton
2. 6-Phosphogluconolactonase ->
Ringöffnung
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B. Stufe 2: Isomerisierung und Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat
Relative Mengen von R5P und Xu5P hängt
vom Bedarf der Zelle ab.
Wenn Pentosephosphatweg nur für NADPH
Produktion gebraucht wird ist das Verhältnis
Xu5P : R5P = 2:1
In teilenden Zellen DNA-Synthese gesteigert->
R5P vermehrt produziert da Vorläufermolekül
für Nucleotide.
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C. Stufe 3: Reaktionen zur Knüpfung und Spaltung von C-C Bindungen
Aus 3 G6P entstehen 3 Ru5P.
Aus diesen 3 C5 Zuckern entstehen dann 2 C6 und ein C3 Zucker.
Transaldolasen und Transketolasen -> Bildung stabilisierter Carbanionen
Mit Hilfe von TPP
Transketolase Reaktion
Katalysiert die Übertragung von C2-Einheiten
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Transaldolase Reaktion
Katalysiert die Übertragung von C3-Einheiten
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Transketolase
Transaldolase
Transketolase
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D. Kontrollmechanismen des Pentosephosphatweges
Hauptprodukte des Pentosephosphatweges
Glucose-6-phosphatdehydrogenase bestimmt Fluss durch
Pentosephosphatweg.
Dieser Schritt wird durch NADPH Konzentration kontrolliert.