Biochemie

KSH-SPF/EF-Chemie 7 Biochemie
7.6 Konzepte und Grundmuster des Stoffwechsels
7.6.1 ATP als Energieüberträger
Lektüre Text I aus L. Stryer, ‚Biochemie’, Spektrum-der-Wissenschaft-
Verlagsgesellschaft, 1990, Seiten 328-330
Aufgabe 40 Die ATP-Reserven in den Mitochondrien von Muskelzellen sind bei körperlicher
Belastung rasch aufgebraucht. Der Körper muss dann dafür sorgen, dass neues
ATP bereitgestellt wird. Welche der folgenden Substanzen kommen für die
Synthese von ATP aus ADP in Frage? Ziehe für die Beantwortung dieser Frage
die Phosphorylgruppenübertragungspotentiale der betreffenden Stoffe bei.
Glucose-1-phosphat, Phosphoenolpyruvat, Creatinphosphat, Glucose-6-phosphat
Aufgabe 41 Verschiedene Organismen benutzen hauptsächlich drei Wege, um ATP aus ADP
und P i zu synthetisieren. Lies die letzten drei Punkte des Kapitels ‚Use of ATP to
store Energy’ auf der untenstehenden Internetseite. Beschreibe kurz die drei
Möglichkeiten, die vorgestellt werden.
http://www.sp.uconn.edu/%7Ebi107vc/fa02/terry/metabolism.html
7.6.2 ATP-gekoppelte Reaktionen
Man versteht die Rolle des ATP bei der Energiekopplung besser, wenn man eine chemische
Reaktion betrachtet, welche ohne Zufuhr von freier Energie thermodynamisch ungünstig ist.
Nehmen wir an, die freie Standardenergie der Umwandlung von A in B betrage +16.7 kJ/mol.
A B ΔG 0 ’ = 16.7 kJ/mol
P. Good 27

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Aufgabe 42 Berechne die Gleichgewichtskonstante K’ der obigen Reaktion.
Dieser Wert bedeutet folgendes: A kann so lange in B umgewandelt werden, bis der Wert K’
erreicht ist. Ist die obige Reaktion an die Hydrolyse von ATP zu ADP und P i gekoppelt, so ergibt
sich ein neues K’.
Aufgabe 43 Berechne mit Hilfe des Wertes aus der Tabelle 13.1 in Text I ΔG 0 ’ und K’ der
Reaktion A + ATP + H 2O B + ADP + P i + H +
Berechne das Verhältnis [B]/[A] im Gleichgewichtszustand, wenn
[ATP]/([ADP][P i][H + ]) den Wert 500 hat. Um welchen Faktor verschiebt die
Kopplung mit der ATP-Hydrolyse das Gleichgewichtsverhältnis der betrachteten
Reaktion?
Aufgabe 44 In welcher Richtung verlaufen die folgenden Reaktionen, wenn die
Reaktionspartner zu Beginn in gleichen Konzentrationen vorliegen (=
Standardbedingungen)? Verwende die Daten aus Tabelle 13.1 in Text I.
a) ATP + Creatin ADP + Creatinphosphat
b) ATP + Glucose ADP + Glucose-6-phosphat
c) ATP + Glycerin ADP + Glycerin-3-phosphat
Aufgabe 45 Berechne ΔG 0 ’ für die Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-
phosphat. Wie gross ist das Verhältnis von Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-
phosphat bei 25 °C?
P. Good 28

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7.6.3 Elektronen-Carrier bei der Oxidation von Nahrungsmitteln
Lektüre Text II aus L. Stryer,
‚Biochemie’, Spektrum-
der-Wissenschaft-
Verlagsgesellschaft, 1990,
Seiten 332, 333)
Aufgabe 46 Zeige mit Hilfe der
Oxidationszahlen auf,
welche Atome die 2
Elektronen bei der
Reduktion von NAD +
erhalten.
Abb. 7.33 Fettsäure-Oxidation
Aufgabe 47 Die Oxidation von Fettsäuren ist in Abb. 7.33 dargestellt. Bei welchen Schritten ist
das System NAD + /NADH, bei welchem das System FAD/FADH 2 involviert?
7.6.4 Elektronen-Transport von NADH/FADH 2 zum O 2 = Oxidative Phosphorylierung
Der menschliche Organismus gewinnt bei der Oxidation von Nahrungsmitteln (z.B. Glykolyse,
Fettsäureabbau, Citratzyklus) energiereiche Moleküle wie ATP, NADH und FADH 2.
Währenddem bei der Hydrolyse von ATP Energie direkt nutzbar wird, übertragen NADH und
FADH 2 Elektronen in der Atmungskette (= oxidative Phosphorylierung) auf molekularen
Sauerstoff.
Lektüre Text III aus L. Stryer, ‚Biochemie’, Spektrum-der-Wissenschaft-
Verlagsgesellschaft, 1990, Seiten 413, 414)
Aufgabe 48 Ubichinon Q (Abb. 7.34, links) wird beim Elektronentransport von NADH auf O 2 zu
Ubichinol QH 2 (Abb.
7.34, rechts) reduziert.
Zeige mit Hilfe der
Oxidationszahlen auf,
an welchem Atom die
Reduktion stattfindet.
Abb. 7.34 Ubichinon (links) und Ubichinol (rechts).
P. Good 29

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Treibende Kraft der oxidativen Phosphorylierung ist das Elektronenübertragungspotential des
NADH und des FADH 2. Das Redoxpotential einer Redoxreaktion kann über folgende Formel in
die Freie Enthalpie der entsprechenden Reaktion umgewandelt werden: ΔG 0’ = –nFΔE 0’ mit n =
Anzahl übertragener Elektronen und F = Energieänderung, wenn ein Moläquivalent Elektronen
eine Potentialdifferenz von 1 Volt durchfliesst = 96.5 kJ V -1 mol -1 .
Tab. 7.7 Standardreduktionspotentiale E 0’ einiger Redoxreaktionen
Reduktionsmittel Oxidationsmittel n E 0’ (V)
Acetaldehyd Acetat + 2 H + 2 –0.60
NADH NAD + + H + 2 –0.32
NADPH NADP + + H + 2 –0.32
Glutathion (reduziert) Glutathion (oxidiert) + 2 H + 2 –0.23
Ethanol Acetaldehyd + 2 H + 2 –0.20
Lactat Pyruvat + 2 H + 2 –0.19
Ascorbat Dehydroascorbat + 2 H + 2 0.08
Ubichinon (reduziert) Ubichinon (oxidiert) + 2 H + 2 0.10
Cytochrom c (+2) Cytochrom (+3) 1 0.22
H 2O 1/2 O 2 + 2 H + 2 0.82
Aufgabe 49 Berechne ΔG 0’ der folgenden Reaktionen:
a) Pyruvat + NADH + H + Lactat + NAD +
b)
1 /2 O 2 + NADH + H + H 2O + NAD +
Aufgabe 50 Studiere die folgende Internetseite (sections 1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, review questions 1,
3, 5) und beantworte die nachfolgenden Fragen.
http://www.chem.purdue.edu/courses/chm333/oxidative_phosphorylation.swf
(Weitere Informationen bietet folgende Internetseite:
http://www.sp.uconn.edu/%7Ebi107vc/fa02/terry/metabolism.html)
P. Good 30

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a) Skizziere den Weg der Elektronen in der Elektronentransportkette von
NADH resp. FADH 2 zu H 2O. Unterscheide zwischen stationären und
mobilen Elektronenüberträgern der Atmungskette.
b) Wo in der Atmungskette kommen Einelektronen-Überträger vor? Bezeichne
diese Strukturen möglichst genau.
c) Worin unterscheiden sich die Wege der von NADH und von FADH 2 in die
Atmungskette eingespeisten Elektronen?
d) Wieviele H + werden pro NADH auf die Aussenseite der inneren
mitochondrialen Membran gepumpt? Erstelle eine genaue Bilanz, welche
nicht nur die Zahl der H + , die nach aussen gepumpt werden, enthält,
sondern auch den Ort beschreibt, an welchem die entsprechenden H +
gepumpt werden. Erstelle eine analoge Bilanz für Elektronen, die von
FADH 2 stammen.
e) Wieviele Elektronen werden für die Reduktion eines O 2-Moleküls erfordert?
P. Good 31

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7.6.5 ATP-Synthese
Die ATP-Synthese findet an einem Enzym statt, das ATP-Synthase (Abb. 7.36) genannt wird.
Dieses Enzym entspricht einem eigentlichen Mini-Elektromotor: die ATP-Synthase ist der Ort
Abb. 7.35 Mechanismus der ATP-Synthese aus ADP und P i in der
ATP-Synthase, Quelle: http://www.uniduesseldorf.de/WWW/MathNat/Biologie/Didaktik/Zellatmung/dateien/atpase/bilder/at
pase3.gif
Abb. 7.36 Bau der ATP-Synthase, Quelle: http://www.uniduesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Photosynthese/glossar/bilder/r
otgross.jpg
des Einstroms von H + -Ionen ins
Mitochondrion. Dieser Strom von
H + -Ionen erzeugt
Strukturveränderungen der ATP-
Synthase, welche einer Art
Drehbewegung entsprechen. Die
drei katalytischen Zentren der ATP-
Synthase können in drei
verschiedenen Zuständen
vorkommen: O (offen, keine
Bindung), L (lockere Bindung) und
T (feste Bindung). Die L-Form
bindet ADP und P i. Durch
Überführen dieser Untereinheit in die T-Form wird ATP synthetisiert, welches durch den
Wechsel der Untereinheit in die O-Form aus dem Enzym entlassen wird (Abb. 7.35).
Die enge Kopplung zwischen Elektronentransport und oxidativer Phosphorylierung wird von
einigen Substanzen wie z.B. 2,4-Dinitrophenol (DNP) oder auch dem sogenannten Thermogenin
(= uncoupling protein) aufgehoben. Solche Stoffe befördern H + -Ionen durch die innere
Mitochondrienmembran, ohne dass ATP synthetisiert wird. Der Elektronentransport von NADH
und FADH 2 zum O 2 läuft normal.
Solche Entkoppler können biologisch
bedeutsam sein, da sie ein Mittel zur
Wärmeerzeugung sind: Wärme wird
aufgrund eines Kurzschlusses der
mitochondrialen Protonenbatterie erzeugt.
Winterschlaf haltende Tiere, neugeborene
Tiere (auch menschliche Babys) und
kälteangepasste Säuger benutzen diese Art
der Wärmeerzeugung.
P. Good 32

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7.7 Stoffwechsel als Netzwerk
Abb. 7.37 Zwei unterschiedliche Arten von Netzwerken.
Da im Stoffwechsel viele Vorgänge
miteinander verknüpft sind, lässt er sich
als Karte aufzeichnen. Prinzipiell gibt es
zwei Möglichkeiten des
Reaktionsablaufs: hintereinander (seriell)
oder gleichzeitig (simultan, parallel).
Jedes Enzym kann die Reaktionen
reversibel durchführen und stellt in einem Netzwerk des Stoffwechsels einen sogenannten Knoten
dar.
Netzwerke sind entweder durch viele Knoten mit wenig Verbindungen (seriell) oder durch wenige
Knoten mit jeweils vielen Verbindungen (parallell) dominiert. Viele ‚einzelne’ Verbindungen bauen
ein sogenanntes Random-Netzwerk auf, wobei die mittlere Anzahl der Verbindungen die
Dimension (= scale) bestimmt. Enthält ein Netzwerk wenige Knoten mit vielen Verbindungen, so
hat die mittlere Anzahl der Verbindungen keinen hohen Aussagewert. Hierbei spricht man von
einem Scale-free-Netzwerk. In einem solchen Netzwerk sind ‚zentrale’ Knoten als Angelpunkte
oder Drehscheiben (hubs; ca. 5% hubs halten ein Scale-free-Netzwerk zusammen). Sequentielle
Netzwerke haben den Vorteil der grösseren Selektivität, simultane Verbindungen denjenigen der
grösseren Geschwindigkeit.
Aufgabe 51 Ordne den Darstellungen auf Abb. 7.37 die Bezeichnungen Scale-free- und Random-
Netzwerk zu.
Beispiel: Interferone sind hochaktive körpereigene Proteine mit einem breiten Wirkungsspektrum.
Entdeckt wurde es im Jahre 1957 als eine Substanz, welche von einem von Viren befallenen
Gewebe freigesetzt wurde und anderes Gewebe vor Virenbefall schützen konnte. Man erhoffte sich
von diesem Protein durchschlagenden Erfolg bei der Bekämpfung von viralen Krankheiten.
Heute weiss man, dass die verschiedenen Interferone (man unterscheidet Interferon α, β und γ) auch
bei vielen anderen Abwehrmechanismen als Boten- und Signalstoffe innerhalb des Immunsystems
wirken: Aktivierung von Makrophagen, natürlichen Killerzellen, zellzerstörenden T-Lymphozyten,
Hemmung des Wachstums und der Teilung von gesunden und bösartigen Zellen, u.a. (Abb. 7.38).
Aufgabe 52 Was lässt sich über den Einsatz von Interferon als Medikament sagen?
P. Good 33

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Der Stoffwechsel stellt ein Scale-free-Netzwerk dar. Enzyme, welche Knoten darstellen, sind
beispielsweise die ATPase oder auch die Adenylatcyclase, ein Enzym, welches in der Zellmembran
die Umwandlung von ATP in
zyklisches AMP (cAMP)
katalysiert. Aktiviert wird die
Adenylatcyclase durch Bindung von
Hormonen an Rezeptoren an der
Zelloberfläche, und es wirkt als
deren Reizvermittler (= second
messenger); cAMP dient
beispielsweise als second messenger
bei Calcitonin, Adrenalin,
Glucagon, Parathormon,
Vasopressin, usw.
Abb. 7.38 Wirkungsweise und Wirkungen von Interferonen.
Für die Medizin gilt: Werden „zentrale“ Enzyme beeinflusst, sind die Wirkungen sehr gross. Für
Therapien aber sind sie völlig ungeeignet, da sie zu wenig spezifisch sind und sich zu viele (Neben-
)Wirkungen ergeben.
Aufgabe 53 Gehe von der Annahme aus, die Menschheit wolle Epidemien verhindern: Welche
Impfstrategie würdest du verfolgen?
Die Natur, aber auch die Technik baut sehr oft Scale-free-Netzwrke auf: wenige, aber hochvernetzte
Knoten und viele Knoten mit wenigen Verbindungen. Beispiele dafür sind: Stoffwechsel der
Bakterien, Telefone mit Zentralen, Energieverteilung, Wasserversorgung, Internet, usw. (Im
Durchschnitt kann man im Internet mit 19 „clicks“ von einer Seite auf eine beliebige andere Seite
gelangen.)
Aufgabe 54 Diskutiere die Anfälligkeit von Random- und von Scale-free-Netzwerken gegenüber
a) zufälligen und b) gezielten (‚intelligenten’) Störungen/Angriffen.
P. Good 34

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7.8 Erzeugung und Speicherung von Stoffwechselenergie
7.8.1 Die Glykolyse
Die Glykolyse ist eine Folge von Reaktionen, in denen Glucose zu Pyruvat umgewandelt wird
und gleichzeitig ATP entsteht. Sie kann aerob und anaerob ablaufen; in aeroben Organismen geht
sie dem Citratzyklus und der Atmungskette voraus, die zusammen fast die gesamte in Glucose
enthaltene Energie ‚gewinnen’. In diesem Fall tritt das Pyruvat in die Mitochondrien über, wo es
vollständig zu CO 2 und H 2O oxidiert wird. Unter anaeroben Bedingungen wird das Pyruvat in
Lactat überführt, bei einigen anaeroben Organismen wird es in Ethanol umgewandelt (=
Gärungen).
Aufgabe 55 Welche Reaktionstypen treten in der Glykolyse auf? Benenne jede einzelne
Reaktion.
Aufgabe 56 Ermittle die ATP-Bilanz der Glykolyse; wird insgesamt ATP gewonnen oder
verbraucht?
Aufgabe 57 Wird in der Glykolyse NADH gewonnen? Wenn ja: in welchem Schritt/welchen
Schritten?
Aufgabe 58 Identifiziere in der Umwandlung von Pyruvat zu Lactat (Anion der Milchsäure, 2-
Hydroxypropansäure) die Stelle, an welcher der Redoxprozess abläuft. Ist
Pyruvat hierbei ein Oxidations- oder Reduktionsmittel?
7.8.2 Der Citratzyklus = Krebszyklus = Tricarbonsäurezyklus (tca = tricarboxylic acid cycle)
Das in der Glykolyse gebildete Pyruvat wird unter aeroben Bedingungen oxidativ zu Essigsäure
decarboxyliert, welches sogleich an das Coenzym A (CoA) gebunden wird (= Acetyl–CoA. Die
aktivierte Acetylgruppe wird im Citratzyklus vollständig zu CO 2 oxidiert.
P. Good 35

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Aufgabe 59 Notiere zu jeder Substanz des Citratzyklus die Anzahl der darin enthaltenen C-
Atome, z.B. für Oxalacetat: C4.
Aufgabe 60 Ermittle daraus den Schritt, bei welchem die Acetylgruppe in den Zyklus eintritt.
Aufgabe 61 Zeichne in den Citratzyklus die Bildung der folgenden Stoffe ein:
a) NADH
b) FADH 2
c) CO 2
Aufgabe 62 In einem Schritt des Citratzyklus wird H 2O benötigt. Markiere auch diesen Schritt.
Aufgabe 63 Oxalacetat, α-Ketoglutarat (= 2-Oxoglutarat) und Succinyl-CoA werden als
Zwischenprodukte bei der Biosynthese verschiedener Verbindungen gebraucht.
Suche mit Hilfe von ‚Metabolic pathways’ heraus, welche der Moleküle des
Citratzyklus für die Biosynthese der folgenden Stoffe/Stoffklassen verwendet
werden:
Prostaglandin, Aminosäuren, Fettsäuren, prosthetische Gruppe des Cytochrom c.
Aufgabe 64 Wie werden für Biosynthesen abgezweigte Moleküle des Citratzyklus ersetzt?
Suche auf ‚metabolic pathways’.
Aufgabe 65 Vervollständige die Tabelle 7.8 und errechne damit die Zahl der ATP-Moleküle,
die pro Glucosemolekül synthetisiert werden.
Tab. 7.8 NADH-, FADH 2- und ATP-Bilanz von Glykolyse und Citratzyklus
Prozess ATP-Bilanz 1) NADH-Bilanz 2) NADH-Bilanz 3) FADH 2-Bilanz
Glykolyse –
Pyruvat -> Acetyl-CoA –
Citratzyklus –
1) allenfalls auch andere –triphosphate (GTP, TTP, CTP) mitrechnen, 2) 2 ATP pro NADH, 3) 3
ATP pro NADH
P. Good 36

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7.8.3 Die Fettsäure-Oxidation (= β-Oxidation)
Fette liegen in einem weit höher reduzierten Zustand vor als Kohlenhydrate, weshalb man in der
Oxidation von Fetten auch mehr Energie ‚gewinnen’ kann als in der Oxidation von
Kohlenhydraten. Dazu kommt, dass Fette ausgesprochen unpolar sind und aus diesem Grunde in
nahezu wasserfreier Form gespeichert werden; deshalb wurden Fette in der Evolution als
wichtigstes Energiereservoir dem Glykogen vorgezogen.
Der erste Schritt der Fettsäureoxidation entspricht der Aktivierung der Fettsäure, wobei zwei
energiereiche Phosphatbindungen (entsprechen 2 ATP) verbraucht werden. Allgemein nennt
man eine aktivierte Fettsäure ‚Acyl-CoA’. In weiteren Schritten wird die Fettsäure zu Acetyl-
CoA-Molekülen abgebaut: das α- und β-C-Atom wird oxidiert, wobei ein FADH 2 entsteht.
Durch Anlagerung von Wasser und darauf folgender Oxidation des β-C-Atoms zu einer
Carbonylgruppe wird unter Bildung eines NADH die Spaltung zwischen dem α- und dem β-C-
Atom durch CoA-SH ermöglicht (= ‚Thiolyse’). In diesem Schritt wird Acetyl-CoA freigesetzt
und das um zwei C-Atome reduzierte
Fettsäuremolekül an CoA gebunden; dieses
ist demnach bereit für eine weitere
Oxidationsrunde.
Abb. 7.39 Strukturformel der Palmitinsäure
Aufgabe 66 Wieviele Acetyl-CoA entstehen beim vollständigen Abbau eines Moleküls
Palmitinsäure (Abb. 7.39)?
Aufgabe 67 Berechne die Anzahl der FADH 2 und der NADH-Moleküle, welche bei der
vollständigen Oxidation von Palmitinsäure gebildet werden. Wieviele ATP-
Moleküle entstehen bei der Oxidation von NADH und FADH 2 in der
Atmungskette?
Aufgabe 68 Die beim Fettsäure-Abbau gebildeten Acetyl-CoA können in den Citratzyklus
eintreten. Wieviele NADH, FADH 2 und GTP entstehen dabei pro Acetyl-CoA?
Rechne auch diese Bilanz in ATP um und errechne die Gesamtzahl ATP, die bei
der vollständigen Oxidation eines Moleküls Palmitinsäure entstehen.
P. Good 37

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7.8.4 Der Pentosephosphatweg
Einige der Elektronen mit hohem Potential aus den Brennstoffmolekülen
müssen für reduktive Biosynthesen erhalten bleiben statt zur ATP-
Bildung auf O 2 übertragen zu werden. Als schnell verfügbares
Reduktionsmittel dient in den Zellen das NADPH (Abb. 7.40). Der
Pentosephosphatweg dient unter anderem der Synthese von NADPH aus
NADP + . Zugleich entsteht in diesem Stoffwechselbereich aber auch
Ribose-5-phosphat, ein Bestandteil so wichtiger Biomoleküle wie ATP,
NAD + , FAD, CoA, RNA und DNA. Dazu werden im
Pentosephosphatweg C3-, C4-, C5-, C6- und C7-Zuckermoleküle
ineinander umgewandelt.
Abb. 7.41 Umwandlung von Glucose-6-phosphat in Gluconsäure-6phosphat.
Abb. 7.42 Umwandlung von
Gluconsäure-6-phosphat zu Ribulose-5phosphat
Abb. 7.40 NADPH
Der Pentosephosphatweg beginnt mit einer Dehydrierung am C1 des Glucose-6-phosphats und
darauf folgender Hydrolyse des entstandenen Lactons (Abb. 7.41). Hierbei entstandenes
Gluconsäure-6-phosphat wird decarboxyliert und zu Ribulose-5-phosphat oxidiert (Abb. 7.42).
Ribulose-5-phosphat wird in einer
Isomerisierung zu Ribose-5-
phosphat (Abb. 7.43).
Glucose-6-phosphat bil-det den
Ausgangspunkt für den
Pentosephosphatweg. Die
Verwertung von Glucose-6-phosphat hängt vom Bedarf an NADPH, Ribose-5-phosphat und
ATP ab. Ribose-5-phosphat seinerseits kann in Zwischenstufen der Glykolyse umgewandelt
werden. Die Aktivität des Pentosephosphatweges ist in der Skelettmuskulatur sehr niedrig, im
Fettgewebe dagegen sehr hoch. Dies stützt die Vorstellung, dass die Hauptaufgabe dieses
Stoffwechselweges in der Erzeugung von NADPH liegt: das Fettgewebe verbraucht grosse
Mengen von NADPH für die Synthese von Fettsäuren aus Acetyl-CoA.
Abb. 7.43 Isomerisierung von Ribulose-5-phosphat zu
Ribose-5-phosphat
P. Good 38

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7.8.5 Die Gluconeogenese
Das Gehirn und die Erythrozyten sind in hohem Masse glucoseabhängig. Der tägliche
Glucosebedarf des Gehirns eines Erwachsenen beträgt etwa 120 g – bei einem
Gesamtglucosebedarf von ca. 160 g. Körperflüssigkeiten enthalten etwa 20 g Glucose, und aus
Glykogen sind 190 g rasch verfügbar. Die direkten Glucosereserven reichen also aus, um den
Bedarf eines Tages zu decken. Bei längerer Hungerperiode oder auch starker körperlicher
Anstrengung muss Glucose aber auch Nicht-Kohlenhydrat-Molekülen gebildet werden. Diesen
Vorgang nennt man Gluconeogenese.
Die Gluconeogenese findet hauptsächlich in der Leber statt. Sie dient dazu, den
Blutglucosespiegel so hoch zu halten, dass Gehirn und Muskulatur genügend Glucose
entnehmen können, um den Stoffwechselbedarf zu decken.
Auf den ersten Blick sieht es so aus, dass die Gluconeogenese eine Umkehr der Glykolyse ist, da
in dieser Glucose zu Pyruvat und in jener Pyruvat zu Glucose umgewandelt wird. Doch gibt es
einige Unterschiede zwischen diesen beiden Prozessen:
1 Phosphoenolpyruvat wird nicht direkt aus Pyruvat gebildet, sondern über Oxalacetat
durch Carboxylierung und anschliessende Phosphorylierung unter Verbrauch von ATP
und GTP. Die Reaktion wird von der Pyruvat-Carboxylase und die
Phosphoenolpyruvat-Cyrboxykinase katalysiert (ΔG 0 ’ = 0.8 kJ/mol) - die durch die
Pyruvat-Kinase katalysierte Phosphorylierung von Pyruvat in der Glykolyse hat ein
ΔG 0 ’ von 31.4 kJ/mol
2 Fructose-6-phosphat entsteht aus Fructose-1,6-bisphosphat durch Hydrolyse des
Phosphatesters am C1. Diese von der Fructose-1,6-bisphosphatase katalysierte Reaktion
ist exergonisch.
3 Glucose entsteht durch Hydrolyse von Glucose-6-phosphat. Im Gegensatz zur
Glykolyse wird diese Reaktion nicht durch die Hexokinase, sondern durch die Glucose-
6-phosphatase katalysiert. Diese Reaktion geschieht im endoplasmatischen Retikulum.
Die Gluconeogenese kann also bei Pyruvat starten. Weitere Ausgangspunkte sind das Oxalacetat,
Lactat (über Pyruvat) und glucogene Aminosäuren wie Alanin und Serin (über Pyruvat),
Asparagin und Asparaginsäure (über Oxalacetat) oder auch Glutamin, Glutaminsäure, Prolin,
Arginin und Histidin (über α-Ketoglutarat).
P. Good 39

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7.8.6 Aminosäureabbau
Aminosäuren, die nicht mehr
benötigt werden, können im
Gegensatz zu Fettsäuren und
Kohlenhydraten nicht
gespeichert werden. Sie
Abb. 7.44 Transaminierung einer Aminosäure mit α-Ketoglutarsäure zu einer
α-Ketosäure und Glutaminsäure
Abb. 7.45 Oxidative Desaminierung von Glutamat; alternativ kann anstelle von NAD + auch
NADP + das Oxidationsmittel sein.
dienen im Stoffwechsel als Brennstoffe. Der Abbau der Aminosäuren findet bei Säugetieren
hauptsächlich in der Leber statt. Die α-Aminogruppe vieler Aminosäuren wird gemäss der
Reaktionsgleichung in Abb. 7.44 auf α-Ketoglutarat übertragen, wobei Glutamat entsteht. Diese
Übertragung einer Aminogruppe nennt man Transaminierung. Das Glutamat wird oxidativ
+
desaminiert und liefert so NH4 -Ionen (Abb. 7.45). Ein Teil dieser Ionen wird schliesslich in
Form von Carbamoylphosphat (Abb. 7.46) dem Harnstoffzyklus zugeführt.
Aufgabe 69 Formuliere mit Hilfe von Strukturformeln die
Reaktionsgleichung der Transaminierung von Alanin.
Welche Produkte entstehen dabei?
Abb. 7.46 Carbamoylphosphat
Aufgabe 70 Serin und Threonin werden direkt desaminiert. Die Reaktion erfolgt in zwei
Schritten: in einem ersten Schritt wird Wasser abgespalten, wodurch eine C-C-
Doppelbindung zwischen dem C-α- und dem C-β-Atom entsteht. Anschliessend
wird unter Bildung einer Ketogruppe am C-α-Atom die Aminogruppe in Form von
+
NH4 abgespalten. Notiere die Reaktionsgleichungen für den Abbau von Serin und
Threonin. Welche Produkte entstehen dabei nebst Ammoniumionen?
P. Good 40

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Abb. 7.47 Verwertung der Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren – ketogene
und glucogene Aminosäuren; Quelle: http://www.vetmed.unigiessen.de/biochem/Folien/Folie6-3.png
Die Kohlenstoffgerüste der 20
verschiedenen Aminosäuren
enden in 7 unterschiedlichen
Molekülen: Acetyl-CoA,
Acetoacetyl-CoA, Pyruvat, α-
Ketoglutarat, Succinyl-CoA,
Fumarat und Oxalacetat.
Aminosäuren, welche als
Acetyl-CoA oder als
Acetoacetyl-CoA enden, nennt
man ketogen, die anderen
nennt man glucogen. Abb. 7.47
zeigt eine Übersicht der
Verwertung der Aminosäuren.
Aufgabe 71 Asparagin wird zu Aspartat und Ammoniumionen hydrolysiert. Aspartat wird mit
7.8.7 Harnstoffzyklus
α-Ketoglutarat transaminiert. Notiere die Reaktionsgleichungen mit Hilfe von
Strukturformeln. Wie heissen die Produkte?
Der Harnstoffzyklus dient dem Ausscheiden von überschüssigen Ammoniumionen. Eines der
Stickstoff-Atome des Harnstoffs stammt von Aspartat, das andere und der Kohlenstoff stammen
+
von NH4 -Ionen und CO2. Ornithin ist der Carrier dieser C- und N-Atome. Im Mitochondrion
reagiert Ornithin mit Carbamoylphosphat zu Citrullin, welches ins Cytoplasma gelangt, wo es
mit Asparaginsäure zu Argininosuccinat kondensiert. Diese Synthese von Argininosuccinat wird
durch die Spaltung von ATP in AMP und Pyrophosphat PP i angetrieben. Argininosuccinat wird
in Arginin und Fumarsäure gespalten. Schliesslich wird Arginin zu Harnstoff und Ornithin
hydrolysiert.
P. Good 41

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7.8.8 Hormonwirkungen
Hormone sind Botenstoffe, die die Aktivitäten verschiedener
Zellen in vielzelligen Organismen koordinieren. Sie werden von
speziellen Geweben gebildet und direkt ins Blut abgegeben,
welches sie zu ihrem Wirkungsort bringt. Chemisch betrachtet
handelt es sich bei einer Gruppe von Hormonen um
niedermolekulare Aminosäure-Derivate (Bsp.: Adrenalin,
Thyroxin), bei einer anderen um Polypeptide oder Proteine (Bsp.:
Insulin, Oxytocin, Wachstumsfaktoren) und bei einer dritten
Gruppe um Cholesterinabkömmlinge (Steroidhormone).
Die Steroidhormone (Testosteron, Cortisol, Estradiol, u.a. ->
Abb. 7.48 Strukturformel von
Thyroxin
Kapitel 7.4.3) und Schilddrüsenhormone (z.B. Thyroxin, Abb. 7.48) gelangen in den Zellkern,
wo sie die Aktivität spezifischer Gene regulieren. Im Gegensatz dazu binden die meisten anderen
Hormone an Zelloberflächenproteine und lösen eine Kaskade von enzymatischen Reaktionen
aus. Hierbei unterscheidet man unter anderem den Adenylat-Cyclase-Weg, den Phosphoinositid-
Weg und den Tyrosin-Kinase-Weg.
Die Hormone Adrenalin, Noradrenalin, Glucagon, Calcitonin oder auch Vasopressin entfalten
ihre Wirkung über die Adenylat-Cyclase-Kaskade. Sie binden an Rezeptorproteine auf der
Oberfläche der Zielzelle. Dadurch wird ein Protein auf der Innenseite der Plasmamembran
aktiviert: das sogenannte G-Protein (= guanylnukleotidbindendes Protein). Dieses besteht aus
drei Untereinheiten: α, β und γ. Die α-Untereinheit kann GDP (= inaktive Form) oder GTP (=
aktive Form) binden. Ohne Hormon liegt fast das gesamte G-Protein in der inaktiven Form vor.
Hormonbindung am Rezeptorprotein führt zur Freisetzung von GDP und ermöglicht die Bindung
von GTP an das G-Protein. Ein Hormonmolekül erzeugt viele G α-GTP-Moleküle, was eine
Verstärkung des Signals zur Folge hat. Die α-Untereinheit dissoziiert von der β- und γ-
Untereinheit ab und aktiviert die Adenylat-Cyclase. Das GTP wird langsam zu GDP
hydrolysiert, wodurch die Hormonwirkung abklingt. Die aktivierte Adenylatcyclase wandelt
ATP in cyclisches AMP (cAMP) um: ATP ––––> cAMP + PP i + H + . Das cAMP wird von einer
spezifischen Phosphodiesterase abgebaut, wobei AMP entsteht: cAMP + H 2O ––––> AMP + H + .
Cyclisches AMP aktiviert Protein-Kinasen, welche je nach Gewebe unterschiedliche Proteine
phosphorylieren und auf diese Weise aktivieren.
P. Good 42

KSH-SPF/EF-Chemie 7 Biochemie
G-Proteine leiten auch das Signal von Hormonen wie Serotonin, Histamin oder Oxytocin weiter.
In diesem Fällen führt die Bildung von GTP-G-Protein zur Aktivierung einer Phosholipase C,
welche Phosphatidylinositol-4,5-diphosphat (PIP 2, siehe Kapitel 7.4.2)
in Inositol-1,4,5-triphosphat (IP 3, Abb. 7.49) und Diacylglycerol (DAG,
Abb. 7.50) spaltet. Bei letzteren handelt es sich um die 2nd messenger
dieser Kaskade. Währenddem DAG spezifische Protein-Kinasen
aktiviert, welche bestimmte Proteine durch Phosphorylierung aktivieren,
führt IP 3 zum Öffnen von Calcium-Kanälen, wodurch beispielsweise die
glatte Muskulatur kontrahiert wird oder ebenfalls Protein-Kinasen
aktiviert werden. Durch diese Kaskade vermittelte Effekte umfassen die
Abb. 7.50 Diacylglycerol; R1 und
R2 = Fettsäurereste
Abb. 7.49 Inositol-1,4,5triphosphat,
IP 3
Glykogenolyse in Leberzellen, Histaminsekretion durch Mastzellen bei allergischen Reaktionen
und Entzündungen und auchzum Beispiel die Aggregation von
Blutplättchen im Rahmen der Blutgerinnung.
Stickstoffmonoxid (NO) und das natriuretische Hormon üben
ihre Wirkung über die Bildung von cGMP aus. Sie aktivieren
eine Guanylat-Cyclase, welche aus GTP cyclisches GMP
(cGMP) bildet. Dieses aktiviert Protein-Kinasen, welche andere Proteine durch
Phosphorylierung aktivieren, was zur eigentlichen zellulären Antwort führt.
Insulin und Wachstumsfaktoren binden an Rezeptoren, welche zur Phosphorylierung eigener
Tyrosinreste oder solcher anderer Proteine führt. Die entsprechenden Rezeptoren bezeichnet man
als Tyrosin-Kinasen. Physiologische Wirkungen umfassen die Aufnahme von Glucose in
Muskelzellen, die Biosynthese von Glykogen, Fettsäuren und Proteinen. Auf der
Rezeptorbindung von Wachtumsfaktoren basieren die darauf folgenden Wirkungen wie die
Teilung und Differenzierung bestimmter Zellen.
Prostaglandine (PG) sind lokal wirksame Hormone, da sie sehr kurzlebig sind. Sie leiten sich
von Arachidonsäure (Abb. 7.51) ab. Die Art der Effekte kann sich von Zelltyp zu Zelltyp
ändern. Einige Prostaglandine (z.B. PGE 1) hemmen die Adenylat-Cyclase der Fettzellen. In
einigen anderen Zellen stimulieren Prostaglandine die
Adenylat-Cyclase. Die Entzündungsauslösung, Regulation der
Blutzirkulation in bestimmten Organen und die Kontrolle des
Abb. 7.51 Arachidonsäure
Ionentransports durch Membranen sind weitere Wirkungen von Prostaglandine. Es gibt eine
ganze Reihe von Prostaglandinen, die in Klassen (PGA-PGI) unterteilt werden.
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