Zusammenfassung
Kohlenhydrate sind die Hauptenergielieferanten für den menschlichen Körper. Der energieerzeugende Abbau des Monosaccharids Glucose erfolgt im Zytosol einer jeden Zelle mittels Glykolyse. Hier wird in zehn Schritten Glucose zu Pyruvat abgebaut, wobei mithilfe der Substratkettenphosphorylierung zwei Moleküle ATP und zwei Reduktionsäquivalente NADH+H+ entstehen. Die Weiterverwertung des Reaktionsprodukts Pyruvat hängt von der Sauerstoffversorgung der Zelle ab. Unter aeroben Bedingungen wird Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH) in Acetyl-CoA umgewandelt, welches dann im Citratzyklus zu CO2 oxidiert wird. Dabei entstehen weitere Reduktionsäquivalente, die durch die Atmungskette zur ATP-Erzeugung genutzt werden können (oxidative Phosphorylierung). Unter anaeroben Bedingungen hingegen wird das Pyruvat durch das Enzym Lactat-Dehydrogenase (LDH) zu Lactat umgewandelt. Hierbei wird keine weitere Energie erzeugt, jedoch wird das ebenfalls während der Glykolyse entstandene NADH+H+ zu NAD+ regeneriert und steht für einen neuen Durchgang der Glykolyse zur Verfügung. Die Glykolyse unterliegt einer strengen allosterischen und hormonellen Regulation. Die hormonelle Regulation wird hauptsächlich durch die Gegenspieler Insulin und Glucagon vermittelt.
Glucose kann jedoch auch über einen alternativen Abbauweg, den Hexosemonophosphatweg (syn. Pentosephosphatweg) abgebaut werden. Hier entstehen Pentosen (bspw. Ribose), die für die Synthese der DNA- und RNA-Bausteine benötigt werden. Außerdem dient der Hexosemonophosphatweg der Reduktion des NADP+ zu NADPH+H+.
Leber und Niere sind befähigt, Glucose aus zwei Molekülen Pyruvat selbst zu synthetisieren. Diese sog. Gluconeogenese stellt Organen, die ihren Energiebedarf hauptsächlich über Glucose decken, in Fastenzeiten Glucose bereit. Die Gluconeogenese ist keine direkte Umkehr der Glykolyse: Da die Schlüsselreaktionen der Glykolyse irreversibel sind, werden für die Gluconeogenese drei zusätzliche Enzyme benötigt, die diese Reaktionen umgehen. Dies kostet die Zelle Energie. Die Gluconeogenese wird daher nicht bei Energiemangel, sondern nur bei Glucosemangel betrieben.
Du möchtest diesen Artikel lieber hören als lesen? Wir haben ihn für dich im Rahmen unserer studentischen AMBOSS-Audio-Reihe im Podcastformat vertont. Den Link findest du am Kapitelende in der Sektion “Tipps & Links".
Glykolyse (Übersicht)
- Definition: Abbau von Glucose zu Pyruvat in zehn Schritten, wobei Energie in Form von zwei Molekülen ATP und die zwei Reduktionsäquivalente NADH+H+ entstehen
- Ort: Im Zytosol aller tierischen und pflanzlichen Zellen
- Ablauf: Glucose → Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat → Glycerinaldehyd-3-phosphat + Dihydroxyacetonphosphat → 2× 1,3-Bisphosphoglycerat → 2× 3-Phosphoglycerat → 2× 2-Phosphoglycerat → 2× Phosphoenolpyruvat → 2× Pyruvat
- Schlüsselenzyme
- Hexokinase
- Phosphofruktokinase 1
- Pyruvatkinase
Reaktionsschritte der Glykolyse
Der Reaktionsablauf der Glykolyse lässt sich in drei Phasen einteilen:
- Phase 1: Umwandlung von Glucose in Fructose-1,6-bisphosphat
- Phase 2: Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu 2 Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat
- Phase 3: Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in Pyruvat
Phase 1 (Umwandlung von Glucose zu Fructose-1,6-bisphosphat)
Reaktion | Substrat | Enzym | Produkt | Besonderheiten |
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1. Phosphorylierung von Glucose |
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2. Isomerisierung von Glucose-6-phosphat |
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3. Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat |
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Phase 2 (Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu zwei Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat)
Reaktion | Substrat | Enzym | Produkt | Besonderheiten |
---|---|---|---|---|
4. Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat |
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5. Isomerisierung von DHAP |
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Phase 3 (Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in Pyruvat)
Reaktion | Substrat | Enzym | Produkt | Besonderheiten |
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6. Phosphorylierung von GAP |
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7. Umwandlung von BPG in 3-Phosphoglycerat |
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8. Umwandlung von 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat |
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9. Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat in Phosphoenolpyruvat |
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10. Umwandlung von Phosphoenolpyruvat in Pyruvat |
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In der Glykolyse werden 2 ATP investiert und 4 ATP gewonnen, die Nettoausbeute beträgt also 2 ATP!
Nettoreaktion: Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O!
Regulation der Glykolyse
Die Reaktionsgeschwindigkeit der Glykolyse richtet sich nach der allgemeinen Stoffwechselsituation und unterliegt sowohl allosterischer als auch hormoneller Regulation ihrer Schlüsselenzyme Hexokinase, Phosphofructokinase 1 und Pyruvatkinase.
Allosterische Regulation
- Allosterische Regulation der Hexokinase
- Hemmung durch: Glucose-6-phosphat
- Die Hexokinase der Leber (Hexokinase IV = Glucokinase) hat eine niedrigere Affinität für Glucose als Hexokinasen anderer Gewebe
- Allosterische Regulation der Phosphofructokinase 1 (dem Schlüsselenzym der Glykolyse)
- Hemmung durch
- Aktivierung durch
- AMP
- Fructose-2,6-bisphosphat: Allosterischer Aktivator im Sinne einer Feed-forward-Regulation
- Bildung: Durch das bifunktionelle Enzym PFKFB (Phosphofructokinase 2/Fructose-2,6-Bisphosphatase)
- Vorkommen: Es gibt vier Isoformen der PFKFB, die in unterschiedlichen Geweben exprimiert werden (z.B. PFKFB 1 in der Leber, PFKFB 2 im Herzmuskel)
- Regulation: Hormonelle Regulation (vermittelt via cAMP)
- PFKFB 1 (Leber): Durch steigende cAMP-Spiegel wird die Kinasedomäne deaktiviert und die Phosphatasedomäne aktiviert: Fructose-2,6-bisphosphat wird vermehrt abgebaut; die Glykolyse wird gehemmt
- PFKFB 2 (Herz): Durch steigende cAMP-Spiegel wird die Kinasedomäne aktiviert und die Phosphatasedomäne deaktiviert: Fructose-2,6-bisphosphat wird vermehrt gebildet; die Glykolyse wird aktiviert
- Bildung: Durch das bifunktionelle Enzym PFKFB (Phosphofructokinase 2/Fructose-2,6-Bisphosphatase)
- Allosterische Regulation der Pyruvatkinase
Hormonelle Regulation
Nur die Hexokinase unterliegt einer hormonellen Regulation auf Transkriptionsebene durch die Gegenspieler Insulin und Glucagon.
- Insulin: Steigert die Transkription des Gens für die Hexokinase (Hexokinase II und Glucokinase)
- Glucagon: Vermindert die Transkription des Gens für die Hexokinase
Weiterverwertung des Pyruvats
Das in der Glykolyse entstandene Pyruvat kann von den Zellen auf zwei unterschiedlichen Wegen weiterverarbeitet werden: In Anwesenheit von Sauerstoff wird das Pyruvat in der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion zu Acetyl-CoA umgewandelt, welches in den Citratzyklus eingeschleust werden kann (sog. aerobe Glykolyse). Hat die Zelle keinen Sauerstoff zur Verfügung oder liegt ein Pyruvat-Dehydrogenase-Mangel vor, wird das Pyruvat in der Lactat-Dehydrogenase-Reaktion zu Lactat reduziert. Diese Reaktion dient weniger der Energiegewinnung, als vielmehr der Regeneration des in der Glykolyse verbrauchten NAD+.
Aerobe Weiterverwertung des Pyruvat (aerobe Glykolyse)
Unter aeroben Bedingungen (also in Anwesenheit von Sauerstoff) wird das in der Glykolyse entstandene Pyruvat in der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion zu Acetyl-CoA umgewandelt. Diese Reaktion dient als Verbindungsglied zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus .
- Definition: Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in Acetyl-CoA und damit Verbindung zwischen der Glykolyse und dem Citratzyklus
- Ziel: Maximierung der Energiegewinnung aus Glucose in Anwesenheit von Sauerstoff (aerobe Glykolyse)
- Ort: Mitochondriale Matrix
- Enzyme: Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
- Ausgangsstoff: Pyruvat
- Reaktionsschritte: Pyruvat → Hydroxyethylrest → Acetylrest → Acetyl-CoA
Die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion ist irreversibel, d.h. Acetyl-CoA kann nicht wieder in Pyruvat umgewandelt werden. Acetyl-CoA ist deshalb kein Produkt für die Gluconeogenese!
Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex
Die Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) ist ein Multienzymkomplex, zu dem drei Enzyme gehören. Diese drei Enzyme benötigen insgesamt fünf Cofaktoren.
- Enzyme des PDH-Komplexes
- Pyruvat-Dehydrogenase (E1)
- Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2)
- Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3)
- Cofaktoren des PDH-Komplexes
Die fünf Cofaktoren des PDH-Komplexes: Tiere Lieben Cola und Fantastische Nahrung (ThiAminpyrophosphat, LiponAmid, Coenzym A, FAD, NAD+)!
Reaktionen des PDH-Komplexes
Die Glykolyse findet im Zytosol statt, die PDH-Reaktion jedoch in der Matrix der Mitochondrien. Pyruvat wird deshalb mithilfe eines Pyruvat-Carriers (Pyruvat/H+-Symport bzw. Pyruvat/OH-Antiport) ins Mitochondrium transportiert. Hier beginnt nun der PDH-Komplex mit dem Umbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA.
Reaktionen | Substrat | Enzym | Produkt | Cofaktoren |
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1. Decarboxylierung von Pyruvat |
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2. Oxidation des Hydroxyethylrests |
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3. Transfer des Acetylrests auf CoA |
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4. Regeneration des Dihydro-Liponamid (Oxidation) |
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Primär biliäre Cholangitis
Die primär biliäre Cholangitis ist eine Autoimmunkrankheit der Leber, bei der Autoantikörper gegen körpereigene Mitochondrien (sog. antimitochondriale Antikörper = AMA) gebildet werden. Diese richten sich gegen die Dihydrolipoyl-Transacetylase, die E2-Untereinheit des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes. Die Erkrankung macht sich zunächst („primär“) an den kleinen intrahepatischen Gallengängen („biliär“) bemerkbar, die durch Entzündungsprozesse („Cholangitis“) langsam zerstört werden. Im Endstadium kann es zur Leberzirrhose kommen, weshalb die Krankheit auch als „Primär biliäre Zirrhose“ bezeichnet wird.
Regulation des PDH-Komplexes
Der PDH-Komplex wird sowohl allosterisch als auch hormonell reguliert.
- Allosterische Regulation: Durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung wird der PDH-Komplex gehemmt bzw. aktiviert.
- Phosphorylierung durch eine spezifische Kinase hemmt den PDH-Komplex
- Dephosphorylierung durch eine spezifische Phosphatase aktiviert den PDH-Komplex
- Hormonelle Regulation
- Insulin: Aktiviert den PDH-Komplex
- Katecholamine: Aktivieren die spezifische Phosphatase, die dann den PDH-Komplex dephosphoryliert und damit aktiviert.
Häufen sich Reaktionsprodukte des PDH-Komplexes an, so können diese auch direkt (also ohne den Umweg über die Phosphorylierung) Enzyme des Komplexes hemmen. Die Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) wird bspw. durch Acetyl-CoA gehemmt, die Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) durch NADH+H+!
Bei ausreichender Versorgung der Zelle mit Energie ist der PDH-Komplex inaktiv, bei Energiemangel ist er aktiv!
Anaerobe Weiterverwertung des Pyruvat (anaerobe Glykolyse)
Die anaerobe Weiterverwertung des Pyruvat findet, genau wie die Glykolyse selbst, im Zytosol statt. Hier wird Pyruvat durch die Lactat-Dehydrogenase zu Lactat umgewandelt. Dies dient vor allem der Regeneration von NAD+.
- Definition: Reduktion von Pyruvat zu Lactat unter anaeroben Bedingungen
- Ziel: Regeneration des NAD+
- Enzym: Lactat-Dehydrogenase
- Ablauf: Pyruvat + NADH+H+ ⇄ Lactat + NAD+
Die Bilanzgleichung der anaeroben Glykolyse lautet: Glucose + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O!
Unter anaeroben Bedingungen wird NAD+ mittels der Lactat-Dehydrogenase regeneriert, unter aeroben Bedingungen über die Atmungskette!
Laborwert LDH
Die Lactat-Dehydrogenase (LDH) liegt physiologischerweise in geringen Mengen im Serum vor. Unter gewissen pathologischen Bedingungen kann es zu einem Anstieg der LDH-Konzentration kommen. Dies ist immer dann der Fall, wenn viele Zellen zugrunde gehen (bspw. im Rahmen eines Herzinfarktes oder auch bei der Hämolyse). Siehe auch Myokardinfarkt und Hämolysezeichen.
Warburg-Effekt
Die Pyruvatdehydrogenase-Kinase (PDHK) reguliert die Aktivität der Pyruvatdehydrogenase. Im aktiven Zustand hemmt sie die PDH durch Phosphorylierung und somit auch die aerobe Glykolyse. Die anaerobe Glykolyse läuft verstärkt ab. Für viele Krebszellen ist typisch, dass diese auch unter oxidativen Bedingungen ATP über die anaerobe Glykolyse gewinnen. Dieser „Warburg-Effekt“ beruht u.a. auf der Aktivierung der PDHK und bietet daher einen Angriffspunkt in der Tumortherapie.
Energiebilanz der Glykolyse
In der Glykolyse entsteht ATP mittels der Substratkettenphosphorylierung. Unter anaeroben Bedingungen ist die Energieausbeute mager: Es werden zu Beginn zwei ATP investiert und es entstehen 4 ATP, netto also 2 ATP. Nur unter aeroben Bedingungen kann das Reaktionsprodukt Pyruvat mittels der PDH-Reaktion in den Citratzyklus und letztendlich in die Atmungskette eingeschleust werden. Hier wird mithilfe der oxidativen Phosphorylierung deutlich mehr Energie erzeugt.
Substratkettenphosphorylierung
- Definition: ATP-Synthese durch Übertragung eines Phosphatrests von dem Zwischenprodukt eines Stoffwechselweges (bspw. der Glykolyse) auf ADP
- Ablauf
- Übertragung eines anorganischen Phosphats auf ein Zwischenprodukt eines Stoffwechselweges
- Weiterverarbeitung des Zwischenprodukts
- Enzymatische Übertragung des Phosphatrests auf ein ADP, es entsteht ATP
- Beispiele in der Glykolyse
- Reaktion der Phosphoglycerat-Kinase
- Reaktion der Pyruvatkinase
Energiebilanz der anaeroben Glykolyse
Unter anaeroben Bedingungen ist das Endprodukt des Glucoseabbaus Lactat. Aus einem Molekül Glucose können zwei Moleküle ATP gewonnen werden.
Energiebilanz der anaeroben Glykolyse: Glucose + 2 Pi + 2 ADP → 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O!
Energiebilanz der aeroben Glykolyse
Unter aeroben Bedingungen wird die Glucose in der Glykolyse, dem Citratzyklus und der Atmungskette bis zu CO2 und H2O oxidiert. Aus einem Molekül Glucose können etwa 32 Moleküle ATP gewonnen werden.
Die Gesamtenergiebilanz des Glucoseabbaus unter aeroben Bedingungen beträgt +32 ATP!
Hexosemonophosphatweg (Pentosephosphatweg)
- Definition: Der Hexosemonophosphatweg (syn. Pentosephosphatweg) ist ein von der Glykolyse abzweigender alternativer Abbauweg der Glucose
- Ziel
- Ort: Zytosol aller Zellen (allerdings mit unterschiedlicher Aktivität)
- Hohe Aktivität bspw. in den Zellen der Nebennierenrinde und Leber
- Schlüsselenzym: Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase
Reaktionen des Hexosemonophosphatwegs
- Oxidative Phase: Glucose reagiert in drei Schritten zu Ribulose-5-phosphat, wobei zwei Moleküle NADPH+H+ entstehen
- Nicht-oxidative Phase: Ribulose-5-phosphat wird in andere Kohlenhydrate mit drei, vier, fünf, sechs und sieben C-Atomen umgewandelt
- Findet v.a. in Zellen statt, die zwar NADPH+H+ benötigen, nicht aber Ribulose-5-phosphat
- Hat als Endprodukte Fructose-6-phosphat und GAP, diese können in die Glykolyse eingeschleust werden
- In Zellen, die besonders viele Pentosen zur Synthese von RNA, DNA etc. benötigen, kann die nicht-oxidative Phase auch rückwärts ablaufen
- Prinzip:
- C5 + C5 ↔︎ C3 + C7
- C3 + C7 ↔︎ C6 + C4
- C4 + C5 ↔︎ C3 + C6
Reaktionsschritte der oxidativen Phase | ||||
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Reaktionsschritt | Substrat | Enzym | Produkt | Besonderheiten |
1. Oxidation von Glucose-6-phosphat |
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2. Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton |
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3. Decarboxylierung von Gluconat-6-phosphat |
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Reaktionsschritte der nicht-oxidativen Phase | ||||
1. Isomerisierung von Ribulose-5-phosphat |
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2. Übertragung einer C2-Einheit |
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3. Übertragung einer C3-Einheit |
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4. Übertragung einer C2-Einheit |
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Regulation des Hexosemonophosphatwegs
- Ausgangspunkt – sowohl für die Glykolyse, als auch für den Hexosemonophosphatweg – ist Glucose-6-phosphat
- Der Bedarf der Zelle entscheidet, welcher Stoffwechselweg eingeschlagen wird
- Szenario 1: Die Zelle benötigt hauptsächlich NADPH+H+
- Glucose-6-phosphat durchläuft den kompletten Pentosephosphatweg: Es entstehen zwei Moleküle NADPH+H+
- Aus den Endprodukten wird über die Gluconeogenese wieder Glucose-6-phosphat synthetisiert
- Diese kann den Pentosephosphatweg erneut durchlaufen
- Szenario 2: Die Zelle benötigt hauptsächlich Pentosen:
- Abbau der Glucose-6-phosphat in der Glykolyse
- Im Verlauf entstehen Fructose-6-phosphat und GAP
- Diese durchlaufen die nicht-oxidative Phase des Pentosephosphatwegs in umgekehrter Reihenfolge
- Endprodukt: Ribose-5-phosphat
- Szenario 3: Die Zelle benötigt sowohl NADPH+H+ als auch Pentosen
- Glucose-6-phosphat wird vermehrt über den Pentosephosphatweg abgebaut
- Dieser endet mit Ribose-5-phosphat
- Szenario 4: Die Zelle benötigt NADPH+H+ und ATP
- Glucose-6-phosphat wird zunächst im Pentosephosphatweg abgebaut
- Endprodukte GAP und Fructose-6-phosphat werden dann in die Glykolyse eingeschleust
- Szenario 1: Die Zelle benötigt hauptsächlich NADPH+H+
Gluconeogenese
- Definition: Neubildung von Glucose aus zwei Molekülen Pyruvat
- Bedeutung: Bei normaler Stoffwechsellage reicht die Glucose aus der Nahrung und aus dem Glykogenabbau, um die Gewebe zu versorgen, die ihren Energiebedarf ausschließlich über Glucose decken (Gehirn, anaerob arbeitende Skelettmuskulatur, Erythrozyten und Nierenmark). Nur in Phasen längerer Nahrungskarenz (>24 h) muss Glucose körpereigen synthetisiert werden
- Ort: In Leberzellen (und in geringem Maße auch in Nierenzellen) in drei zellulären Kompartimenten (ersten Schritte finden in Mitochondrien statt, der Großteil der Reaktionen danach im Zytosol und der letzte Schritt erfolgt im endoplasmatischen Retikulum)
- Ausgangsstoffe
- Lactat: Ständig verfügbares Substrat der Gluconeogenese, wird direkt zu Pyruvat umgewandelt
- Glucogene Aminosäuren (z.B. Alanin): Stammen aus dem Abbau von Nahrungsproteinen oder (in Hungerphasen) Proteinen der Skelettmuskulatur, werden zu Oxalacetat oder Pyruvat umgewandelt
- Glycerin: Stammt aus dem Abbau von Triacylglycerinen durch Lipolyse. Glycerin wird zu Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt und dann über Glycerinaldehyd-3-phosphat der Gluconeogenese oder der Glykolyse zugeführt.
- Propionyl-CoA: Aus dem Abbau ungeradzahliger Fettsäuren und einiger Aminosäuren (Methionin, Valin, Threonin, Isoleucin)
- Propionyl-CoA wird zunächst in Methylmalonyl-CoA umgewandelt, dann in Succinyl-CoA, welches in den Citratzyklus eingeschleust und zu Oxalacetat umgewandelt wird.
- Prinzip: Umgekehrte Glykolyse, mit Ausnahme der Reaktionen der drei Schlüsselenzyme der Glykolyse (Pyruvatkinase, Phosphofructokinase 1, Hexokinase), welche durch Gluconeogenese-spezifische Enzyme ersetzt werden müssen
- Ablauf: Pyruvat → Oxalacetat → Phosphoenolpyruvat → 2-Phosphoglycerat → 3-Phosphoglycerat → 1,3-Bisphosphoglycerat → Glycerinaldehyd-3-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat → Fructose-6-phosphat → Glucose-6-phosphat → Glucose
Die Gluconeogenese ist nicht einfach die Umkehr der Glykolyse. Die Reaktionen der Schlüsselenzyme der Glykolyse sind aus thermodynamischen Gründen irreversibel und müssen durch Gluconeogenese-spezifische Reaktionen ersetzt werden! Die anderen Reaktionen werden in Glykolyse und Gluconeogenese von denselben Enzymen katalysiert, die Reaktionsrichtung wird dabei von den Konzentrationsverhältnissen der Metabolite bestimmt.
Gluconeogenese-spezifische Reaktionen
1. Umgehung der Pyruvatkinase
- Pyruvatcarboxylase-Reaktion: Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat
- Transport ins Zytosol
- Mitochondrienmembran ist für Oxalacetat undurchlässig
- Transport erfolgt über das Malat-Aspartat-Shuttle
- Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase: Umwandlung von Oxalacetat in Phosphoenolpyruvat
- Schrittmacherreaktion der Gluconeogenese
- Verbraucht ein Molekül GTP und setzt ein Molekül CO2 frei (Decarboxylierung)
2. Umgehung der Phosphofructokinase 1
- Fructose-1,6-Bisphosphatase: Hydrolyse von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat
- Es geht also genau die Energie wieder verloren, die bei der Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat durch die Phosphofructokinase 1 der Glykolyse in Form von ATP investiert wurde
- Fructose-1,6-Bisphosphatase-Mangel kann u.a. zu Lactatazidose führen
3. Umgehung der Hexokinase
- Glucose-6-Phosphatase: Integrales Membranprotein des endoplasmatischen Reticulums von Nieren- und Leberzellen, das Glucose-6-phosphat zu Glucose und Pi hydrolysiert
Phosphorylierte Glucose kann die Zelle nicht wieder verlassen, die Glucose-6-Phosphatase-Reaktion ist also unerlässlich für Organe, die an der Regulation des Blutzuckerspiegels beteiligt sind (Leber und Niere)!
Morbus von Gierke
Ein Defekt der Glucose-6-Phosphatase führt dazu, dass das in der Gluconeogenese gebildete (oder aus Glykogen in der Glykogenolyse freigesetzte) Glucose-6-phosphat nicht dephosphoryliert werden und folglich die Zelle nicht verlassen kann. Das entstehende Krankheitsbild wird als Morbus von Gierke bezeichnet und gehört zur Gruppe der Glykogenosen („Glykogenspeicherkrankheiten“). Es macht sich beim Säugling durch lebensbedrohliche Hypoglykämien und daraus resultierenden epileptischen Anfällen sowie Azidosen bemerkbar.
Energiebilanz der Gluconeogenese
- Bei der Gluconeogenese werden insgesamt sechs Moleküle energiereicher Verbindungen (vier Moleküle ATP und zwei Moleküle GTP) verbraucht
- Wird die so enstandene Glucose im Zielorgan (z.B. Gehirn) abgebaut, werden dadurch nur zwei Moleküle ATP hergestellt
- Insgesamt „kostet“ die Gluconeogenese also zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle GTP
Die Gluconeogenese wird nicht aus Energiemangel betrieben, sondern aus Glucosemangel, also einem zu geringen Blutzuckerspiegel!
Regulation der Gluconeogenese
Ähnlich wie die Glykolyse wird auch die Gluconeogenese über ihre Schlüsselenzyme Pyruvatcarboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und Fructose-1,6-Bisphosphatase sowohl allosterisch als auch hormonell reguliert.
- Allosterische Regulation
- Pyruvatcarboxylase
- Hemmung durch ADP
- Aktivierung durch Acetyl-CoA
- Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase
- Hemmung durch ADP
- Fructose-1,6-Bisphosphatase
- Hemmung durch Fructose-2,6-Bisphosphat
- Hemmung durch AMP
- Aktivierung durch Citrat
- Pyruvatcarboxylase
- Hormonelle Regulation
- Insulin: Hemmt die Gluconeogenese (v.a. durch Hemmung der Expression ihrer Schlüsselenzyme)
- Glucagon: Aktiviert die Gluconeogenese (v.a. durch vermehrte Expression der Gluconeogenese-Enzyme Fructose-1,6-Bisphosphatase und Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase)
Die Glykolyse und die Gluconeogenese werden genau entgegengesetzt zueinander reguliert. Dies ist deshalb wichtig, da sonst ständig das in der Glykolyse entstehende Pyruvat wieder zu Glucose aufgebaut werden würde – ein Zyklus, der die Zelle jedes mal wieder Energie kosten würde!
Wiederholungsfragen zum Kapitel Abbau und Synthese der Glucose
Glykolyse
Beschreibe die ersten Schritte der Glykolyse bis zur Entstehung von Fructose-1,6-bisphosphat!
Welches ist die erste energiegewinnende Reaktion der Glykolyse und um was für einen Reaktionstyp handelt es sich? Findet die Reaktion auch umgekehrt statt?
Welches Produkt entsteht bei der Phosphorylierung von Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und um was für einen Reaktionstyp handelt es sich?
Wie unterscheidet sich die leberspezifische Isoform der Hexokinase von derjenigen der Skelettmuskulatur?
Über welche Mechanismen wird bei niedrigen Blutzuckerspiegeln die Glykolyse in der Leber gehemmt?
Wie und wo wird das Endprodukt der Glykolyse unter aeroben Bedingungen weiterverstoffwechselt? Um was für einen Reaktionstyp handelt es sich dabei?
Beschreibe die Reaktionsschritte der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion (PDH-Reaktion) und nenne die beteiligten Cofaktoren!
Beschreibe die weitere Verstoffwechslung von Pyruvat unter anaeroben Bedingungen! Nenne Ort, beteiligte Enzyme und Zweck der Reaktionen!
Hexosemonophosphatweg
Welchen Zweck hat der Hexosemonophosphatweg (= Pentosephosphatweg), in welchen Organen findet er insb. statt und was ist sein Schlüsselenzym?
In welche Phasen lässt sich der Hexosemonophosphatweg aufteilen? Beschreibe diese grob!
In welchen Schritten der oxidativen Phase des Hexosemonophosphatwegs entsteht NADPH+H+?
Welcher Cofaktor wird in der nicht-oxidativen Phase des Hexosemonophosphatwegs von der Transketolase benötigt?
Gluconeogenese
Welche Substanzen dienen in der Gluconeogenese als Ausgangsstoffe für die Neubildung von Glucose?
Die Gluconeogenese ist nicht einfach die Umkehrung der Glykolyse. Welche Reaktionen der Glykolyse sind irreversibel und müssen deshalb bei der Gluconeogenese umgangen werden?
Beschreibe die Reaktionsschritte, die in der Gluconeogenese für die Umgehung der Pyruvatkinase-Reaktion der Glykolyse notwendig sind!
Wozu dient die von der Glucose-6-Phosphatase katalysierte Reaktion und wo findet sie statt (Organ und Zellkompartiment)?
Lege die Energiebilanz der Gluconeogenese dar!
Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.
Meditricks
In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.
Glykolyse
Glykolyse: Reaktionen
Aerobe Glykolyse
Anaerobe Glykolyse
Glykolyse: Regulation
Pentosephosphatweg
Gluconeogenese
Inhaltliches Feedback zu den Meditricks-Videos bitte über den zugehörigen Feedback-Button einreichen (dieser erscheint beim Öffnen der Meditricks).