Glykoneogenese, Citratzyklus PDF

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Zusammenfassung der Präsentation...

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Gluconeogenese Nettoreaktion: 2 Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O → Glucose + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+

 Aufbau von Glykose aus anderen, Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen  Diese Art einer Bereitstellung von Glucose dient der Homöostase des Blutglucosespiegels  ist wichtig im Hunger oder bei kohlenhydratfreier Ernährung, da Glucose benötigt wird für - Energiegewinn in Muskel, Gehirn und Erythrozyten; - die Synthese von Nukleinsäuren (Pentosephosphat); - die Synthese von Glycerol-3-phosphat (Fettgewebe); - Regulation des Säure-Basen-Haushalts (Niere)

 Der tägliche Glucosebedarf des Gehirns - 120 g  Gesamtglucosebedarfs - 160 g  Körperflüssigkeiten enthalten etwa 20 g Glucose  aus (einer der Glucose)

Glykogen Speicherform sind 190 g

rasch verfügbar  direkte Glucosereserven reichen aus, um den Bedarf eines Tages zu decken  Längere Hungerperioden: zum Überleben muss Glucose aus Nicht-Kohlenhydraten gebildet werden. Gluconeogenese auch wichtig bei starker körperlicher Anstrengung  Als Vorstufen treten in erster Linie: Lactat, Aminosäuren und Glycerin auf. - Lactat wird vom aktiven Skelettmuskel gebildet. - Aminosäuren entstehen aus Proteinen der Nahrung und in Hungerperioden aus dem Abbau von Skelettmuskelproteinen - Die Hydrolyse der Triacylglycerine in Fettzellen liefert Glycerin und Fettsäuren.  Findet in erster Linie in der Leber statt, aber auch in der Nebennierenrinde, Gehirn, Skelett- und Herzmuskel vernachlässigbar wenig  Prinzipiell: Gluconeogenese in Leber und Niere, um Blutglucosespiegel so hoch zu halten, dass Gehirn und Muskel genügend Glucose entnehmen können, um ihren Stoffwechselbedarf zu decken  In der Glykolyse wird Glucose zu Pyruvat abgebaut, in der Gluconeogenese Pyruvat in Glucose umgewandelt. Trotzdem ist die Gluconeogenese nicht die Umkehr der Glykolyse.  Irreversible Reaktionen der Glykolyse werden durch andere Enzyme in der Gluconeogenese umgangen.

 Глюконеогенез и гликолиз регулируются реципрокно: если клетка снабжена энергией в достаточной степени, то гликолиз приостанавливается, и запускается глюконеогенез; напротив, при активизации гликолиза происходит приостановление глюконеогенеза.  Вначале пируват переносится из цитозоля в митохондрии, т.к. пируваткарбоксилаза является митохондриальным ферментом, и затем превращается с ее помощью в оксалоацетат.

Gluconeogenese - 1. irreversibler Schritt:  Zuerst wird Pyruvat unter Verbrauch eines ATP zu Oxalacetat carboxyliert.

 Dann wird das Oxalacetat decarboxyliert und unter Verbrauch zu einer zweiten energiereichen Phosphatbindung zum Phosphoenolpyruvat phosphoryliert.  Die erste Reaktion wird von der Pyruvat-Carboxylase, die zweite von der PhosphoenolypyuvatCarboxykinase katalysiert.  Pyruvat-Carboxylase ist aufgrund seiner katalytischen Eigenschaften von besonderem Interesse. Die Pyruvat-Carboxylase enthält eine kovalent gebundene prosthetische Gruppe, das Biotin (Biotin = Vit H ist ein mobiler Carrier von aktiviertem CO2), das als Carrier von aktiviertem CO2 dient. Das lange, flexible Glied zwischen dem Biotin und dem Enzym ermöglicht es dieser prosthetischen Gruppe, sich von einem aktiven Zentrum des Enzyms (dem ATPHydrogencarbonat-Zentrum) zum anderen (dem pyruvatbindenden Zentrum) zu bewegen.  Die Pyruvat-Carboxylase ist ein mitochondriales Enzym, während die anderen Enzyme der Gluconeogenese sich im Cytoplasma befinden.  Die Reduktion des Oxalacetats zum Malat innerhalb der Mitochondrien erfolgt durch eine NADH-gekoppelte Malat-Dehydrogenase.  Das Malat wird dann von einem Carrier durch die Mitochondrienmembran transportiert und im Cytosol durch eine NAD+-gekoppelte Malat-Dehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert.  Das Oxalacetat wird durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase gleichzeitig decarboxyliert und phosphoryliert.  Das CO2, das durch die Pyruvat-Carboxylase an das Pyruvat addiert wurde, kommt in diesem Schritt wieder frei.

 Die Gluconeogenese geht Glycolyse rückwärts bis zum – Bisphosphat.

dann die Fructose- 1,6

2. Irreversibler Schritt

 Die Reaktion Fructose-1,6-bisphosphat → Fructose-6-phosphat wird durch die Fructose-1,6bisphosphat-Phosphatase katalysiert. Es ist ein Schlüsselenzym in dem Sinne, dass seine Anwesenheit darüber entscheidet, ob ein Gewebe zur Gluconeogenese fähig ist oder nicht.  Fructose-1,6-bisphosphat-Phosphatase wurde in Leber, Niere und (in geringer Konzentration (auch) im Skelettmuskel und nicht in Fettgewebe nachgewiesen. 3. Irreversibler Schritt  Die Reaktion Glucose-6-phosphat → Glucose, die gewissermaßen die „Rückreaktion“ der Hexokinasereaktion darstellt, wird durch die Glucose-6-phosphatase katalysiert.  Das Enzym ist notwendig für die Abgabe freier Glucose aus der Leber an das Blut. Enzym ist in Leber, Niere und Intestinum vorhanden, fehlt jedoch in Muskulatur, Fettgewebe und Gehirn. Die Muskulatur kann aus ihrem Glykogenvorrat also keine Glucose an das Blut abgeben. Die Dephosphorylierung der Glucose erfolgt im endoplasmatischen Retikulum. Dafür wird Glucose-6-Phosphat mittels eines Transportproteins (T1) in das Lumen des ER aufgenommen. Die Glucose-6-Phosphatase befindet sich in der ER Membran auf der luminalen Seite. Nach der Dephosphorylierung werden Glucose und anorganisches Phosphat

(Pi) durch T2 und T3 in das Cytosol transportiert und von dort wird die Glucose durch einen Glucosetransporter an die Umgebung abgegeben. Stoffwechsel bei intensiver körperlicher Anstrengung  Das wichtigste Rohmaterial für die Gluconeogenese ist Lactat, das in aktiver Skelettmuskulatur und Erythrocyten erzeugt wird.  Pyruvatproduktion durch die Glykolyse übersteigt die Rate der Pyruvatoxidation durch den Citratzyklus.  NADH-Bildung ist unter diesen Bedingungen größer als die Rate der NADH-Oxidation in der Atmungskette  Fortdauer der Glykolyse hängt ab von der NAD+-Konzentration zur Oxidation des Glycerinaldehyd-3-phosphats  Anhäufung von Pyruvat und NADH wird durch Lactatbildung unterbunden Lactatbildung im Stoffwechsel: totes Gleis  muss in Pyruvat zurückverwandelt werden  Einziger Zweck der Lactatbildung: Regeneration von NAD+ (Fortlauf Glykolyse im aktiven Skelettmuskel und Erythrocyten)  Lactat und Pyruvat können über die Blutbahn zwischen Muskel und Leber transportiert werden

Der Cori-Zyklus При интенсивной мышечной работе, а также в условиях отсутствия или недостаточного числа митохондрий (например, в эритроцитах или мышцах) глюкоза вступает на путь анаэробного гликолиза с образованием лактата. Лактат не может далее окисляться, он накапливается. С током крови лактат поступает в печень. Печень является основным местом скопления ферментов глюконеогенеза (синтез глюкозы из неуглеводных соединений), и лактат идет на синтез глюкозы. Die Plasmamembran der meisten Zellen ist für Lactat und Pyruvat hochpermeabel. Beide Substanzen diffundieren aus dem aktiven Skelettmuskel in das Blut und werden zur Leber transportiert.  Aufgrund des hohen NADH/NAD+Verhältnisses im kontrahierenden Muskel weit mehr Lactat als Pyruvat abtransportiert wird. Das in die Leber eingetretene Lactat wird zu Pyruvat oxidiert.  Das Pyruvat wird dann durch die Gluconeogenese in der Leber in Glucose umgewandelt.  Die Glucose gelangt in das Blut und wird von der Skelettmuskulatur aufgenommen. Damit versorgt die Leber den kontrahierenden Skelettmuskel mit Glucose, der durch die glykolytische Umwandlung der Glucose in Lactat ATP gewinnt.  Glucose wird wiederum in der Leber aus Lactat synthetisiert. Energiebilanz der Gluconeogenese  Sechs energiereiche Phoshatbindungen müssen für die Synthese von Glucose aus Pyruvat aufgewendet werden. Die Nettogleichung für die Glucogeneogenese lautet: 2 Pyruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H2O + 2H+ → Glucose + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2NAD+  Umwandlung von Glucose zu Pyruvat in der Glykolyse nur zwei Moleküle ATP benötigt. Dagegen lautet die Gleichung für die Umkehr der Glykolyse: 2 Pyruvat + 2ATP + 2NADH + 2H2O + 2H+ → Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD+  die Gluconeogenese „kostet“ für jedes aus Pyruvat synthetisierte Glucosemolekül 4 energiereiche Phosphatverbindungen extra  Diese vier zusätzlichen Phosphatbindungen werden gebraucht, um einen energetisch ungünstigen Prozeß (Glykolyse) in einen energetisch günstigen (Glucogeneogenese) verwandeln.

 Verluste an freier Enthalpie sind der Preis, dass von Metaboliten praktisch identische gegenläufige Stoffwechselwege unterschiedliche Enzyme benutzen  Vorteil: beide Stoffwechselwege sind unterschiedlich voneinander regulierbar

Energiegewinn unter aeroben Bedingungen: Oxidative Decarboxylierung / Citratzyklus третий этап энергетического обмена-аэробное дыхание: происходит в митохондриях. Эффект Пастера: При низкой концентрации О2, продукт гликолиза — пируват, превращается в этанол и СО2 с низким выходом энергии (2 моля АТФ на моль глюкозы). Если концентрация О2 высока, пируват превращается в ацетил-КоА, который затем может использоваться в цикле Кребса, что увеличивает эффективность до 38 моль АТФ на 1 моль глюкозы. Аэробное дыхание проходит в два этапа: 1. Окислительное декарбоксилирование пирувата (ПВК) 2. Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот)- в матриксе митохондрий 3. Окислительное фосфорилирование- на внутренней мембране митохондрий  In einer für alle Lebewesen und ihren Energiestoffwechsel grundlegenden Reaktionsfolge kann das Pyruvat zu drei Molekülen CO2 oxidiert werden.  Der Pyruvatabbau beginnt mit einer oxidativen Decarboxylierung (PyruvatDehydrogenasereaktion), bei der Acetyl-CoA und CO2 gebildet werden.  Das Acetyl-CoA wird dann in einer als Citratzyklus – oder nach seinem Entdecker als KrebsZyklus – bezeichneten Reaktionsfolge einer vollständigen Oxidation zu CO2 unterworfen.  Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA ist die Verbindung zwischen Glykolyse und Citratcyclus, sie erfolgt in den Mitochondrien.  в матриксе митохондрий происходит дегидрирование (отдача H+) и декарбоксилирование (отщепление СО2) с образованием ацетил-кофермента А (Ацетил-КоА) и NADH  Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA wird durch den PyruvatDehydrogenase-Komplex katalysiert, ein Multienzymsystem aus drei verschiedenen Enzymen. Die Nettoreaktion der von diesem Komplex katalysierten Reaktion lautet: Pyruvat + CoA + NAD+ → Acetyl-CoA + CO2 + NADH

Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat  Thiaminphyrophoshat (TPP), Liponamid und FAD dienen als katalytische Co-Faktoren, zusätzlich zu den stöchiometrischen Cofaktoren CoA und NAD+.  Zunächst wird das Pyruvat nach Bindung an TPP decarboxyliert. Pyruvat + TPP → Hydroxyethyl-TPP + CO2  Das positiv geladene Stickstoffatom im Ring des TPP wirkt dann als Elektronenfänger und stabilisiert die Bildung einer negativen Ladung, die zur Decarboxylierung erforderlich ist (Pyruvatdehydrogenase). Durch Protonierung entsteht dann Hydroxyethylthiaminpyrophosphat.  Als zweites wird die an das TPP gebundene Hydroxyethylgruppe zu einer Acetylgruppe oxidiert und gleichzeitig auf Liponamid übertragen. Die Reaktion, die ebenfalls von der PyruvatDehydrogenase-Komponente katalysiert wird, liefert Acetylliponamid.  Als nächstes wird die Acetylgruppe des Acetylliponamids auf Coenzym A übertragen, wobei Acetyl-CoA entsteht. Diese Reaktion katalysiert die Dihydrolipoyl-Transacetylase.  Dann wird die oxidierte Form des Liponamids von der Dihydrolipoyl-Dehydrogenase regeneriert. Ein Hydridion wird auf eine prothetische FADGruppe des Enzyms und anschließend auf NAD+ übertragen.

Der Citratcyclus - findet in den Mitochondrien statt - dient dem oxidativen Endabbau von AS,

Fettsäuren (FS) und Kohlenhydraten (KH) - liefert Wasserstoff für die biologische Endoxidation - dient dem anabolen Stoffwechsel  Synthese von AS, Purin, Pyrimidin, Porphyrin (Häm)  ist wichtig für Harnstoffcyclus und Gluconeogenese Ein Überblick über den Citratzyklus Das Grundmuster des Citratzyklus ist folgendes:  Oxalacetat (C4) kondensiert mit einer Acetyleinheit aus zwei Kohlenstoffatomen unter Bildung einer Tricarbonsäure Citrat (C6).  Ein Isomer des Citrats wird dann oxidativ decarboxyliert.  Die entstandene C5-Einheit (α-Ketoglutarat) wird durch oxidative Decarboxylierung in eine C4Einheit (Succinat) umgewandelt.  Aus dem Succinat entsteht schließlich wieder Oxalacetat.  Zwei Kohlenstoffatome treten als Acetylgruppe in den Zyklus ein, und zwei Kohlenstoffatome verlassen ihn in Form zweier CO2-Moleküle.  Tatsächlich gibt es vier Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Drei Hydridionen (also sechs Elektronen) werden auf drei NAD+-Moleküle übertragen, während ein Paar Wasserstoffatome (zwei Elektronen) auf ein Molekül Flavinadenindinucleotid (FAD) übertragen wird.  Diese Elektronen-Carrier führen letzten Endes bei ihrer Oxidation durch O2 in die Atmungskette zur Entstehung von 9 Molekülen Adenosintriphosphat (ATP). 1. Citratsynthase  Der Kreislauf beginnt also mit der Verknüpfung einer C4 und C2 Einheit.  Die Reaktion wird von der Citrat-Synthase katalysiert. Das Oxalacetat kondensiert zuerst mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citryl-CoA, das dann zu Citrat und CoA hydrolysiert wird.  Die Synthase katalysiert die Kondensationsreaktion dadurch, dass sie die Substrate in enge Nachbarschaft zueinander bringt, sie ausrichtet und bestimmte Bindungen polarisiert.  Diese erste Reaktion des Citronensäure-Cyclus ist der Punkt, wo der Cyclus mit Kohlenstoffatomen in Form von Acetyl-CoA "beschickt" wird. Die Citrat-Synthase-Reaktion verläuft nach einem geordneten sequentiellen Mechanismus, wobei Oxalacetat als erstes an das Enzym gebunden wird. 2. Aconitase  Die weitere Umwandlung des Citrats beginnt mit der Isomerisierung zum Isocitrat.  Das Enzym Aconitase katalysiert die Gleichgewichtseinstellung zwischen Citrat (90 %), cisAconitat (4%) und Isocitrat (6 %). Diese Isomerisierung wird durch eine Dehydratisierung (-H2O) und eine darauffolgende Hydratisierung (+H2O) erreicht.  Das Resultat ist ein Austausch eines H-Atoms und einer OH-Gruppe.  Das Enzym, das beide Schritte katalysiert, wird als Aconitase bezeichnet, da als Zwischenprodukt cisAconitat auftritt. 3. Isocitrat-Dehydrogenase Isocitrat wird durch Oxidation und Decarboxylierung in α-Ketoglutarat überführt.  erste von insgesamt vier OxidationsReduktions-Reaktionen, die im Citratzyklus ablaufen.

 Die oxidative Decarboxylierung des Isocitrats wird von der Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert: Isocitrat + NAD+ → α-Ketoglutarat + CO2 + NADH + H+  Das Zwischenprodukt dieser Reaktion ist Oxalsuccinat, eine instabile α-Ketosäure. Während sie an das Enzym gebunden ist, verliert sie ein CO2 und wandelt sich in α-Ketoglutarat um. 4. α-Ketoglutarat-Dehydrogenase  Succinyl-CoA entsteht durch oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarat.  Diese Reaktion wird vom α-KetoglutaratDehydrogenase-Komplex katalysiert, einer Anordnung drei verschiedener Enzyme.  Der Mechanismus dieser Reaktion ist dem der Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA sehr ähnlich.  в качестве акцептора электронов выступает НАД+, а КоА функционирует как переносчик сукцинильной группы.

5. Succinyl-CoA-Synthetase  Der Thioester Succinyl-CoA besitzt eine energiereiche Bindung.  Die Spaltung der Thioesterbindung des Succinyl-CoA ist mit der Phosphorylierung von Guanosindiphosphat (GDP) gekoppelt wie bei GAPDH!). Succinyl-CoA + Pi + GDP → Succinat + GTP + CoA  Diese leicht umkehrbare Reaktion wird von der Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert. Dies ist der einzige Schritt des Citratzyklus, der direkt eine energiereiche Phosphatbindung liefert.  GTP wird als Phosphorylgruppendonor bei der Proteinsynthese und bei Signalübertragungprozessen verwendet. Seine Phosphorylgruppe kann aber auch leicht auf Adenosindiphosphat (ADP) übertragen werden, wobei ATP entsteht; diese Reaktion wird von der Nucleosiddiphosphat-Kinase katalysiert: GTP + ADP → GDP + ATP 6. Succinat-Dehydrogenase  Succinat wird in drei Stufen in Oxalacetat überführt: Durch eine Oxidation, eine Hydratisierung und eine zweite Oxidation.  Dabei wird Oxalacetat für einen weiteren Durchgang des Zyklus regeneriert und gleichzeitig die freiwerdende Energie in Form von FADH2 und NADH abgefangen.  Das Succinat wird durch die Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert.  Als Wasserstoffakzeptor fungiert FAD, nicht NAD+, das in den anderen drei Oxidationsreaktionen des Zyklus verwendet wird.  FAD tritt in dieser Reaktion als Wasserstoffakzeptor auf, weil die Änderung der freien Energie zur Reduktion von NAD+ nicht ausreicht = kovalent gebunden, prosthetische Gruppe. E-FAD + Succinat → E-FADH2 + Fumarat  Die Succinat-Dehydrogenase unterscheidet sich von anderen Enzymen des Citratzyklus dadurch, dass sie ein integraler Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran ist. Die SuccinatDehydrogenase ist direkt mit der Atmungskette verbunden. Das bei der Oxidation des Succinats

entstandene FADH2 dissoziiert im Gegensatz zu NADH, das bei anderen Oxidationsreaktionen erzeugt wird, nicht vom Enzym ab. 7. Fumarase  Фумараза является стереоспецифичным ферментом: она катализирует гидратацию двойной связи в фумарате (транс-изомер), но не в малеате (цис-изомер фумарата). Фумараза также проявляет стереоспецифичность и при осуществлении обратной реакции: D-малат не может служить субстратом для него  Im nächsten Schritt des Zyklus wird Fumarat unter Entstehung von L-Malat hydratisiert. Die Fumarase katalysiert eine stereospezifische trans-Addition von H und OH. Die OH-Gruppe wird nur an eine Seite der Doppelbindung des Fumarats addiert, und daher entsteht nur das L-Isomer des Malats. 8. Malat-Dehydrogenase-Reaktion  Schließlich wird Malat zu Oxalacetat oxidiert. Bei dieser von der Malat-Dehydrogenase katalysierten Reaktion dient wieder NAD+ als Wasserstoffakzeptor. Malat + NAD+ → Oxalacetat + NADH + H+  NADH und FADH2 aus dem Citratzyklus werden in der Atmungskette oxidiert. Dabei entsteht ATP in dem Ausmaß, wie Elektronen von diesen Carriern auf den endgültigen Akzeptor O2 übertragen werden. Aus jedem NADH werden in den Mitochondrien 2,5 ATP gebildet, während pro FADH2 1,5 ATP entstehen. Pro Acetyleinheit entsteht nur eine energiereiche Phosphatbindung direkt im Citratzyklus.  9 weitere energiereiche Phosphatbindungen werden durch Oxidation von drei NADH und einem FADH2 in der Atmungskette gebildet.  Molekularer Sauerstoff beteiligt sich nicht direkt am Citratzyklus. Der Zyklus verläuft aber nur unter aeroben Bedingungen, da NAD+ und FAD in den Mitochondrien nur durch Elektronenübertragung auf molekularen Sauerstoff regeneriert werden können.

Nettoreaktion des Citratcyclus: Acetyl-CoA+3NAD+ +FAD+GDP+Pi+2H2O* → 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+2H+ +CoA-SH = 3H+ * (Hydrolyse von Citryl-CoA + Fumarat →Malat) Die Kontrolle des Citratzyklus  Ausreichende Energieversorgung ( hohe ATP und NADHKonzentrationen) und Anreicherung von Acetyl-CoA und Succinyl-CoA

(d.h. sie werden nicht verbraucht) hemmen den Citratcyclus,  niedriger Energiespiegel (hohe ADP-Konzentration) beschleunigt ihn hingegen Der Citratzyklus liefert zahlreiche Biosynthesevorstufen  Viele Aminosäuren leiten sich von α-Ketoglutarat und Oxalacetat ab.  Citrat wird über den Citratshuttle ins Cytosol transportiert und kann dort für die Biosynthese von FS und Cholesterin benutzt werden. Zum Beispiel stammen die meisten Kohlenstoffatome der Porphyrine aus Succinyl-CoA.  Wichtig ist hier, dass die Zwischenprodukte des Citratzyklus wieder aufgefüllt werden müssen, wenn sie für Biosynthesen abgezweigt werden. Z.B. Oxalacetat in Aminosäuren für die Proteinbiosynthese umgewandelt wird. Der Citratzyklus kommt zum Stillstand, wenn kein neues Oxalacetat entsteht, denn Acetyl-CoA kann nicht in den Zyklus eingeschleust werden, wenn es nicht mit Oxalacetat kondensiert.  In diesem Fall entsteht Oxalacetat durch Carboxylierung von Pyruvat, eine Reaktion, die von der Pyruvat-Carboxylase katalysiert wird....