8-Stoffwechsel I_Gly

1. Einleitung: Die Chemie des Lebens
2. Kohlenhydrate
3. Lipide und Membranen
4. Nukleinsäuren
5. Aminosäuren und Proteine
6. Enzyme und Katalyse
7. Vitamine & Kofaktoren
Inhaltsverzeichnis - Kapitel
8. Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel
9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung
10. Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau
11. Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Überblick über metabolische Prozesse
Die Prinzipien des Stoffwechsels sind in allen Organismen gleich
( Evolution / Thermodynamische Gesetze ):
-> Reaktionstypen – Regulation - speicherbare Energie
� Organismen unterscheiden sich jedoch in ihrer trophischen Strategie
(autotroph, heterotroph, etc.).
- Autotrophe Organismen (fotosynthetisierende Organismen):
bauen das anorganische Material durch Fotosynthese unter Produktion von O 2 in
organische Substanz um, die den heterotrophen Organismen als Nahrung dienen
- Heterotrophe Organismen:
bauen die organische Substanz ab um aus ihr Energie zu gewinnen
- unter sauerstoffarmen Bedingungen: anaerober Abbau oder Gärung
- unter sauerstoffreichen Bedingungen: aerober Abbau oder Atmung
Überblick über metabolische Prozesse
� Anaerober Abbau von organischen Substanzen: 2 Wege
1. GÄRUNG: O 2 fehlt; organisches Substrat dient als H-Akzeptor
(z.B. Hefen)
2. ANAEROBE ATMUNG: NO 3 oder SO 4 dienen als H-Akzeptoren
Endprodukte sind auch v.a. CO 2 und H 2 O.
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Stoffwechselwege
Eine Abfolge spezifischer Reaktionen, die zu
einem definierten Produkt führen wird als
STOFFWECHSELWEG bezeichnet.
Der Abbau verschiedener Substanzklassen
führt zu einem zentralen Stoffwechselprodukt
(Acetyl-CoA), das dann weiter abgebaut
(oxidiert) wird. �
Dabei werden reduzierte Coenzyme generiert
(FADH 2 und NADPH), die im weiteren Verlauf
durch Sauerstoff (re-)oxidert werden.
(oxidative Phosphorylierung).
Bei diesem Prozess entsteht ATP
(Adenosintriphosphat), das universell als
Energieträger eingesetzt werden kann.
Katabole und anabole Stoffwechselwege
Katabolismus
Reaktion des Körpers auf Belastung
Abbau von Stoffwechselprodukten zu einfachen Molekülen
Energiegewinnung für anabole Reaktionen (exergonisch)
Kurzzeitiger Energiespeicher und
Energieüberträger = ATP
Katabolismus
Katabole und anabole Reaktionen
hängen voneinander ab, aber laufen
in der Zelle nicht gleichzeitig ab.
Anabolismus
Aufbau von körpereigenen Bestandteilen
Energie wird verbraucht (endergonisch)
Energie stammt aus katabolen Reaktionen
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Anabolismus
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Katabole und anabole Stoffwechselwege
Produkte des katabolen Stoffwechsels werden in exergonischen Reaktionen gebildet und
daher muss für die Umkehrung des Prozesses (anabole Stoffwechselwege) ein
energieliefernder Schritt eingeschaltet werden!
� Daher unterscheiden sich katabole und anabole Stoffwechselwege in mindestens
einem Schritt!
� Dies ist von Vorteil, da die Prozesse damit unabhängig voneinander reguliert werden
können:
Stoffwechselweg A
Stoffwechselweg XY
Katabole Stoffwechselwege: E-Gewinnung
Kataboler Stoffwechsel:
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Allosterische Regulation:
Regulation von Stoffwechselwegen
• Ein Endprodukt hemmt eine frühe Reaktion im Stoffwechselweg (negative Rückkopplung)
• Diese sogenannten Effektoren binden an allosterische Taschen (≠ aktives Zentrum) am
Enzym
Produkthemmung/negative Rückkopplung
Allosterie: Veränderung der Konformation unter Beeinflussung des
aktiven Zentrums / Bindungszentrums
Energiereiche Verbindungen
Die vollständige Oxidation von Kohlenhydraten
und Fetten setzt Energie frei, die in Form von
sog. „Energiereichen Verbindungen“
gespeichert wird (vor allem ATP).
Diese Verbindungen können
dann dazu verwendet werden
endergonische Reaktionen
(„uphill“ -> Reaktion braucht
Energie) anzutreiben.
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Warum ist ATP ein energiereiches Molekül?
• Im Anhydrid konkurrieren die beiden Sauerstoffatome um die Elektronen des
Brückensauerstoffatoms.
• Außerdem kommt es zur elektrostatische Abstoßung der negativen Ladungen im
Anhydrid.
• Die hydratisierten Produkte sind besser solvatisiert und daher energieärmer.
Acylphosphate
Spaltung einer Anhydrid-
Bindung setzt > 30 kJ/
mol an Energie frei!
• In Acylphosphaten besteht eine noch größere Konkurrenz um die Elektronen des
Brückensauerstoffs.
• Daher besitzen diese Verbindungen ein höheres Phosphatgruppenübertragungspotential
als ATP.
Acylphosphate sind gemischte
Phosphorsäure/Carbonsäure Anhydride
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Verbindungen mit hohem
Potential können die
Phosphatgruppe auf
Verbindungen mit
niedrigem Potential
übertragen.
ATP steht dabei im
Zentrum der
Übertragungswege.
Thioester
Auch die Hydrolyse einer Thioesterbindung ist
exergonisch
und kann für die Synthese von ATP verwendet
werden!
Phosphatgruppenübertragungspotential
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Stoffwechsel 1
Stoffwechsel 1
Kopplung von Reaktionen
Wie kann eine exergonische Reaktion eine endergonische antreiben?
Gibbs-Energie
Chemische Reaktionen folgen den Gesetzen
der Thermodynamik. Dabei ist die
Veränderung der Gibbs-Energie ΔG das
entscheidende Kriterium:
ΔG < 0: exergone Reaktion
läuft spontan ab
ΔG = 0: Gleichgewicht
keine Reaktion
ΔG > 0: endergone Reaktion
braucht Energie-Zufuhr
+
-
Endergone Reaktion
Exergone Reaktion
Beispiele für gekoppelte Reaktionen
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Stoffwechsel 1
Kohlenhydratstoffwechsel
Bildung von ATP im Stoffwechsel
ATP wird permanent im menschlichen Körper umgesetzt (ca. 1,5 kg/h !)
und muss daher ständig generiert werden.
Es gibt drei prinzipielle Wege ATP herzustellen:
Abbau von Kohlenhydraten - Glycolyse
Die Glykolyse (gr.: glykys = süß; lysis =
auflösen) ist der schrittweise Abbau von C 6 -
Zuckern wie der Glucose zu 2 C 3 -Molekülen
(Pyruvat) und besteht aus 10 enzymatischen
Einzelschritten.
Sie ist ein zentraler, katabolischer Prozess zur
Energiegewinnung in den Zellen der meisten
Lebewesen. Sie ist der einzige metabolische
Weg, den fast alle Organismen gemeinsam
haben, was auf eine sehr frühe Entstehung
hinweist.
Insgesamt werden 2 Moleküle ATP pro
Molekül Glucose hergestellt. Weiters entstehen
2 Moleküle NADH.
Außerdem kann das Endprodukt Pyruvat zur
weiteren Oxidation, d.h. Energieerzeugung
verwendet werden.
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Kohlenhydratstoffwechsel
Glycolyse - Fakten
Die Glykolyse findet im Cytoplasma aller (differenzierten) Zelltypen statt
Die Glykolyse liefert Energie und bereitet Glucose für den oxidativen Abbau vor
Sie liefert auch Vorläufer für die Biosynthese anderer Verbindungen:
• Pyruvat: Fettsäuresynthese;
Aminosäuren-Synthese (Alanin, Valin, Leucin)
• Dihydroxyacetonphosphat (DHAP): Lipid-Synthese
• Phosphoenolpyruvat (PEP): Biosynthese aromatischer Aminosäuren
(Phenylalanin, Tryptophan, Tyrosin)
• 3-Phosphoglycerat (3PG): Biosynthese von L-Serin
Bei der Glykolyse wird ATP 100x schneller bereitgestellt als über die vollständige
oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette.
Manche spezialisierte Zellen beziehen ihre Energie ausschließlich aus der Glykolyse:
Gehirn, Nierenmark, Erythrozyten, Spermien, proliferierende Tumorzellen
In der Glykolyse werden neben ATP auch die Reduktionsäquivalente NADH erzeugt ->
werden in der Atmungskette für weiteren ATP-Gewinn reoxidiert, oder zum Zweck der
NAD + -Regeneration als Reduktionsmittel für Synthese anderer Moleküle verwendet.
Kohlenhydratstoffwechsel
Glycolyse – auch ohne Sauerstoff
Die Glykolyse läuft auch unter sauerstoffarmen/freien Bedingungen ab:
• Mikroorganismen können so in einem anoxischen Milieu Energie gewinnen
• bei Wirbeltieren: bei starker Muskelbeanspruchung muss die Zelle Energie kurzfristig
ausschließlich aus der Glykolyse beziehen, da mehr O 2 verbraucht wird als vorhanden
ist -> Glucose schnell durch Glykolyse und Milchsäuregärung zu Lactat umgesetzt
• Pflanzen betreiben die Glykolyse auch zusätzlich in den Plastiden. Dadurch kann der
Stoffwechsel bei Licht- oder O 2 -Armut aufrechterhalten werden.
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Kohlenhydratstoffwechsel
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Kohlenhydratstoffwechsel
Glycolyse - Reaktionen und Enzyme
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Glycolyse – 2 PHASEN
Die Glycolyse kann in zwei Abschnitte unterteilt werden:
1. INVESTMENT-Phase: -> Energie investiert
Im ersten Abschnitt wird Glucose 2x phosphoryliert und schlussendlich in 2 Moleküle
Glycerinaldehyd-3-phosphat zerlegt. Dieser Abschnitt verbraucht 2 Moleküle ATP
pro Molekül Glucose.
2. ERNTE-Phase: -> liefert Energie und Reduktionsäquivalente
Im zweiten Abschnitt wird Glycerinaldehyd-3-Phosphat (G3P) zu Pyruvat abgebaut.
Bei diesem Abbau werden insgesamt 4 Moleküle ATP gebildet (2 pro G3P). Daraus
ergibt sich eine Nettosynthese von 2 ATP.
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Kohlenhydratstoffwechsel
2
4
Phosphoglucose-
isomerase
Aldolase
Kohlenhydratstoffwechsel
Glycolyse - die „Investment“phase
1. Phosphorylierung der Glucose:
1. Schritt: Hexokinase
Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf die
C-6 Alkoholgruppe der Glucose -> Bildung des
Phosphomonoesters Glucose-6-Phosphat
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Hexokinase
3
Phosphofructokinase
5
Triosephosphatisomerase
Hexokinase
1 Molekül ATP wird investiert.
Glucose-6-Phosphat reichert sich in der Zelle
an, da die Zellmembran nur für Glucose
durchlässig ist. Außerdem sinkt die
intrazelluläre Glucose-Konzentration im
Vergleich zur extrazellulären, wodurch die
Aufnahme von Glucose begünstigt wird.
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Kohlenhydratstoffwechsel
8 Å
Kohlenhydratstoffwechsel
Substrat-induzierte Konformationsänderung
Beispiel eines INDUCED FIT:
• Glucose und ATP werden im aktiven Zentrum zusammengeführt
• Wasser wird ausgeschlossen um Hydrolyse von ATP zu vermeiden
Offene Konformation Geschlossene Konformation
2. Schritt: Phosphoglucoisomerase (G6P-Isomerase)
2. Isomerisierung (Aldohexose zu Ketohexose):
Die Phosphoglucoisomerase oder Glucose-6-
Phosphat-Isomerase katalysiert die Isomerisierung
von G6P in Fructose-6-Phosphat (F6P).
Unter Standardbedingungen liegt das Gleichgewicht
auf der Seite von G6P. Das Produkt F6P reagiert aber
schnell weiter, darum wird es dem Gleichgewicht
entzogen und die Isomerisierung läuft zu Gunsten der
Ketohexose ab.
Phosphoglucoisomerase
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Kohlenhydratstoffwechsel
Kohlenhydratstoffwechsel
3. Schritt: Phosphofructokinase
Ein 2. Molekül ATP wird investiert.
Phosphofructokinase
Phosphofructokinase: 1. Kontrollpunkt der Glycolyse
Warum Kontrollpunkt / Schlüsselenzym?
Die Phosphofructokinase als Regulatorenzym katalysiert den Geschwindigkeitsbestimmenden
Schritt („Flaschenhals“) im ersten Teil der Glykolyse und bestimmt so
entscheidend mit, wie viel verfügbare Energie die Zelle (ATP, Citrat, NADH/H + )
beziehungsweise der Organismus (Blutglucose) besitzt. (-> siehe REGULATION)
Dieser dieser Schritt macht – neben der Glucokinase sowie der Pyruvatkinase – die
Glykolyse unter physiologischen Bedingungen irreversibel.
Weiters ermöglicht diese zweite Phosphorylierung im nächsten Schritt die Bildung von zwei
phosphorylierten Triosen (DHAP und GAP) -> C1-C3 der F1,6bP finden sich dann in
DHAP, C4-C6 in GAP.
Zwei Enzymformen:
• PFKI (Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat (F-1,6-BP))
• PFKII (Bildung des PFK-I-Effektors und Isomers Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP))
Beide Enzyme regulieren damit auch den Blutzucker durch Verarbeitung der Signale von
Glucagon und Insulin.
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Kohlenhydratstoffwechsel
Kohlenhydratstoffwechsel
Phosphofructokinase: Regulation
Aktivität der PFK als Funktion von F6P ->
Regulation:
Allosterische Inhibierung:
• ATP �: Substrathemmung
• NADH+H + , Citrat
Allosterische Aktivierung:
• ADP, AMP: Energiemangelsignale
• F-2,6-bisP: Isomer von F-1,6,-bisP
gebildet durch PFKII
Allosterische Regulation der Phosphofructokinase
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Kohlenhydratstoffwechsel
Kohlenhydratstoffwechsel
Allosterische Regulation der Phosphofructokinase
Allosterische Bindung von ADP/ATP
ATP hemmt und AMP aktiviert das Enzym
4. Schritt: Aldolase
4. Spaltung in 2 Triosen:
Spaltung des C-6 Zuckers F-1,6-bisP in
zwei C-3 Fragment:
• Dihydroxyacetonphosphat (DHAP)
• Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP)
Aldolase
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Kohlenhydratstoffwechsel
5. Schritt: Triosephosphatisomerase
5. Isomerisierung von DHAP in GAP:
Da nur GAP weiterverwendet wird, muss DHAP in GAP umgewandelt (isomerisiert)
werden:
Die Isomerisierung in GAP wird dadurch begünstigt, dass GAP in der Glykolyse
weiter abgebaut wird -> Konzentration in der Zelle wird niedrig gehalten.
Kohlenhydratstoffwechsel
Zusammenfassung „Investment“phase
In der ersten Phase der Glycolyse wird
Glucose zu 2 Glycerinaldehyd-3-Phosphat
umgewandelt.
Dabei wurde 2 Moleküle ATP verbraucht.
In der zweiten Phase der Glycolyse findet
eine Nettobiosynthese von ATP statt
(Energiegewinn).
Triosephosphatisomerase
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Kohlenhydratstoffwechsel
Glycolyse - die „Ernte“ / Amortisierungs-Phase
Glycerinaldehyd-3-phospat
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Phosphoglycerat-Mutase
Pyruvatkinase
Kohlenhydratstoffwechsel
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Enolase
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Phosphoglycerat-Kinase
6. Schritt: Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase
6. Bildung einer Energiereiche Verbindung:
In dieser Reaktion wird die Oxidation und
Phosphorylierung von G3P mit der Synthese von
NADH gekoppelt.
Gleichzeitig entsteht ein energiereiches
Acylphosphat (gemischtes Säureanhydrid):
1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG).
GAP-Dehydrogenase
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Kohlenhydratstoffwechsel
Kohlenhydratstoffwechsel
7. Schritt: Phosphoglycerat-Kinase
7. Substratkettenphosphorylierung 1:
Dies ist der erste Schritt, in dem durch eine
Substratkettenphosphorylierung ATP hergestellt
wird -> 1 Molekül ATP pro 1,3-BPG.
Aus 1,3-BPG entsteht dabei 3-Phosphoglycerat
(3PG).
Feedbackregulation:
Falls die Zelle bereits viel ATP hat, hält die
Reaktion an dieser Stelle an, bis wieder
genügend ADP zur Verfügung steht.
Phosphoglycerat-Kinase
8. Schritt: Phosphoglycerat-Mutase
8. Umlagerung der Phosphatgruppe:
D.h. diese Reaktion ist
auch ATP/ADP-reguliert
und damit die 2.
irreversible Reaktion
der Glykolyse.
Dieser Schritt ist notwendig, um in der nächsten Reaktion wieder eine energiereiche
Verbindung herzustellen:
Dabei wird 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei die
Phosphatgruppe dabei zwischenzeitlich auf einen Aminosäurerest des Enzyms
übertragen wird.
Phosphoglycerat-Mutase
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Kohlenhydratstoffwechsel
9. Schritt: Enolase
9. Bildung einer energiereichen Verbindung durch Dehydratisierung:
Die Dehydratisierung von 2-Phosphglycerat generiert die energiereiche Verbindung
Phosphoenolpyruvat (PEP). Dies besitzt ein hohes Phosphatgruppen-
Übertragungspotential, was im letzten Schritt der Glykolyse für die Generierung eines
weiteren ATPs genutzt wird.
Kohlenhydratstoffwechsel
10. Schritt: Pyruvatkinase
10. Substratkettenphosphorylierung 2:
Enolase
In der letzten glykolytischen Reaktion wird das zweite energiereiche Produkt PEP zur
Synthese von ATP via Substratkettenphosphorylierung verwendet. Dabei entsteht aus
PEP Pyruvat.
Diese Reaktion ist ebenfalls ATP/ADPreguliert
und damit die 3. irreversible
Reaktion der Glykolyse.
Pyruvatkinase
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Kohlenhydratstoffwechsel
Zusammenfassung „Ernte“phase
Aus jedem Molekül GAP werden in der Erntephase
2 Moleküle ATP durch Substratkettenphosphorylierung
gewonnen, d.h. ein Nettogewinn
von 2 ATP pro 1 Molekül Glucose:
1 Glucose
- 2 ATP
GAP Pyruvat
+ 2 ATP
GAP Pyruvat
+ 2 ATP
Außerdem werden 2 Moleküle NADH erzeugt,
die ebenfalls zur ATP-Gewinnung
herangezogen werden können (im Zuge der
oxidativen Phosphorylierung).
Pyruvat wird weiter abgebaut (Citratcyclus);
dabei wird ebenfalls ATP generiert.
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