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U. Albrecht BC1
Die Glycolyse (Glucose Katabolismus)
1. Übersicht über die Glykolyse
2. Reaktionschritte der Glykolyse
3. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats
4. Kontrolle der Glykolyse
5. Stoffwechsel von anderen Hexosen
6. Der Pentosephosphatweg
U. Albrecht BC1
Gesamtübersicht Abbauweg von Glukose.
Glykolyse (glykos = süss, lyse = auflösen)
Glucose -> 2 Pyruvat
Alternativweg für Glucoseabbau =>Pentosephosphatweg
U. Albrecht BC11. Übersicht Glykolyse
Oxidationsmittel NAD++ 2 NADH -> 2ATP
NAD+ muss regeneiert werden
-2 ATPStufe I (Investition von Energie)
Stufe II (Gewinnung von Energie)+ 4 ATP
Phosphorylgruppenübertragungsreaktionen
U. Albrecht BC1
A. Hexokinase: Verbrauch des ersten ATP
Kinase = Enzym das Phosphorylgruppenauf Metaboliten überträgt. Name des Meta-boliten wird vorangestellt -> Hexokinase fürHexosen, Glucokinase in Leber um Blut-glucosespiegel aufrecht zu halten.Magnesium essentiell !!!
Mg2+ schirmt neg. Ladungen ab -> γ-Phosphoratom wird zugänglich für nucleophilen Angriff.
Glucose induziert Konformationsänderung der Hexokinase
2 Kieferbewegung ->ATP nähe C6 und Wasser weg -> keineHydrolyse von ATP= substratinduzierteKonformations-änderungvrgl. Adenylat-Kinase
2. Die Reaktionschritte der Glykolyse
U. Albrecht BC1
Schritt 1: Substrat bindetSchritt 2: Säure (ε-Aminogruppe von Lys)Schritt 3: Base (Carboxylatgruppe v. Glu) abstrahiert ProtonSchritt 4: H+ an C1 => ProtonenübertragungSchritt 5: Ringschluss
B. Glucosephosphat-Isomerase
PGI = Phosphoglucose-IsomeraseAldose wird zu KetoseRingöffnung und RingschlussSäure-Base katalysiert durch dasEnzym
U. Albrecht BC1
Bisphosphat und nicht diphosphat, daPhosphatgruppen getrennt.
Ähnlich der Hexokinase Reaktion (Mg2+).
PFK zentral in Glykolyse, da geschwindigkeits-Bestimmender Schritt.
AMP erhöht AktivitätATP, Citrat allosterische Hemmer (siehe später).
C. Phosphofructokinase: Verbrauch des zweiten ATP
U. Albrecht BC1
Mechanismus der basenkatalysierten Aldolspaltung
Enolat-Zwischenprodukt entsteht ->Resonanzstabilisiert.G6P->F6P Isomerisierung da nurF6P gleiche in sich umwandelbare C3Einheiten liefert die gleich abgebaut Werden können.2 Klassen von Aldolasen
D. Aldolase
Spaltung von FBP (1xC6) in 2 C3 EinheitenNummerierung der C Atome ändert
= Aldolspaltung
U. Albrecht BC1
Klasse I Aldolasen in Tieren und Pflanzen
Schritt 1: SubstratbindungSchritt 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
Klasse II Aldolasen
In Pilzen, Algen und BakterienKeine Schiffsche Base sondern sondern zweiwertiges KationPolarisiert Carbonylsauerstoff -> Stabilisierung des Enolats
Klasse I Aldolasen
U. Albrecht BC1E. Triosephosphat-Isomerase (TIM)
Säure Base
Aldose Ketose
Isomerisierung wie bei G6P->F6PAldose->Ketose
Übergangszustand bindet besser anEnzym als Substrat
(Analoge zu Endiol, wie 2-PhosphoglykolatBinden besser an Enzym als Substrate)
U. Albrecht BC1
α/β Fass. 8 β Faltblätter und 8 α Helices
Stereoelektrische Kontrolle durch Flexible Schleife -> effektiveUmsetzung des Substrates daÜbergangszustand stabilisiert wird.
Geschwindigkeit der Assoziation vonEnzym und Substrat diffusionskon-trolliert -> Bildung des Produkts sorasch wie Aufeinandertreffen vonEnzym und Substrat -> GAP und DHAP immer im Gleichgewicht
GAP weiter Umgesetzt -> Fliessgleich-gewicht -> DHAP wird in GAP um-Gewandelt -> beide Produkte werden Im Stoffwechsel umgesetzt.
Hefe TIM im Komplex mit 2-Phosphoglykolat
GluHis
Lys
2-Phosphogkykolat
flexibleSchleife
U. Albrecht BC1
Übersicht 1. Stufe der Glykolyse
F. Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase: Bildung des ersten energiereichenZwischenprodukts
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC1
Cys-SulfhydrylgruppeimAktiven Zentrum
Direkte Hydridüber-tragung
Acyl-Enzym Zwischen-produkt
Mechanistische Untersuchungen
U. Albrecht BC1
Schritt 1: GAP bindet an Enzym
Schritt 2: Sulfhydrylgruppe greift Aldehydgruppe an und es entsteht ein Thiohalbacetal
Schritt 3: Übertragung von Hydridionauf NAD+ -> Hemiacetal wirdzu Ester oxidiert. Thioesterhohe freie Enthalpie bei Hydrolyse -> Energie der Aldehydoxidation gespeichertin Form von NADH und Thio-ester.
Schritt 4: NAD+ verdrängt NADH
Schritt 5: Pi greift Thioester an ->Enzym wird regeneriert und1,3 BPG entsteht.
Enzymmechanismus der GAPDH
U. Albrecht BC1
-> und PGK
G. Phosphoglycerat-Kinase: Produktion des ersten ATP
Phosphoglycerat-Kinase PGK) 2 lappig ähnlich wie Hexokinasezusamenklappen -> wasserfreie Umgebung. HexokinaseVerschiedene Aminosäuresequenzen.
3PG
U. Albrecht BC1
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
Verknüpfung der GAPDH- mit der PGK-Reaktion
U. Albrecht BC1
Mutasen katalysieren intramolekulare Übertragungen einer funktionellen Gruppe von einerPosition auf eine andere. Ist nicht direkt sondern über Phospho-His-RestEnergetisch neutrale Reaktion.
H. Phosphoglycerate-Mutase (PGM)
U. Albrecht BC1
Schritt 1: 3PG bindet an EnzymHis ist phosphoryliert
Schritt 2: Phosphorylgruppe wirdübertragen
Schritt 3&4: Komplex zerfällt
Postulierter Reaktionsmechanismus der Phosphoglycerat-Mutase
U. Albrecht BC1
Dehydratisierung
Mg2+ für Substratbindung an Enolase nötig. Fluorid ion (F-) blockiert Enolase und damit die Glykolyse.
2PG und 3PG reichern sich an.
I. Enolase: Bildung des zweiten energiereichen Zwischenprodukts
U. Albrecht BC1
Schritt 1: Phosphorylsauerstoff des ADP greift PEP-Phosphorylatom an -> ATP wird gebildet.
Schritt 2: Tautomerisierung zu Pyruvate.
J. Pyruvat-Kinase: Produktion des zweiten ATP
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Als 2 Stufenprozess betrachtet -> Tautomerisierung setzt mehr Energie frei als Phosphorylgruppen-Übertragung -> Tautomerisierung treibt Reaktion.
U. Albrecht BC1Zusammenfassung von Stufe II der Glykolyse
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)
U. Albrecht BC13. Gärung: Der anaerobe Weg des Pyruvats
HefeAlkoholische Gärung
MuskelMilchsäuregärung
Aerobe Bedingungen Anaerobe Bedingungen
U. Albrecht BC1
His 195 und Arg 171 orientierenPyruvat im aktiven Zentrum
Überschüssiges Lactat -> Um-wandlung in Pyruvat oderTransport aus Muskel zu Leber->Umwandlung von Lactat in Glucose
Muskelkater nicht wegen LactatAnhäufung sondern wegen Säure-produktion der Glykolyse
A. Milchsäuregärung
Im Muskel bei hoher Aktivität und knapperSauerstoffversorgung. LDH vollständigreversible Reaktion -> Gleichgewicht vonPyruvat und Lactat
U. Albrecht BC1
Thiaminpyrophosphat (TPP) essentieller Cofaktor der Pyruvatdecarboxylase (dieses Enzym in Tieren nicht vorhanden).
Reaktion läuft bei der Herstellung von Bier und Wein ab. Auch bei Brot -> CO2 lässtTeig aufgehen.
Kann Carbanion stabilisieren wenn Proton abgegeben wird ->dipolares Carbanion oder Ylid
B. Alkoholische Gärung
U. Albrecht BC1
greift Pyruvat an
2 Bildungons
Carbanion
dehyd
Schritt 1: Ylid C-
Schritt 2: Austritt von COeines Carbani
Schritt 3: Protonierung
Schritt 4: Eliminierung YlidBildung von Acetal
U. Albrecht BC1
Hefe (Yeast) ADH (=YADH) ist ein tetramerJede 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 ZinkIonen bindet.
Reduktion von Acetaldehyd und Regeneration von NAD+
Energiebilanz der Gärung
Pro Glucose: Gärung liefert 2 Moleküle ATP <-----> oxidative Phosphorylierung 38 ATP
Geschwindigkeit: 100 x 1 x
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.
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC14. Kontrolle der Glykolyse
Viele Reaktionen der Glykolyse verlaufen am Gleichgewicht -> Fliessgleichgewicht lässt GlykolyseKontinuierlich laufen. Abrupte Änderung des Energiebedarfes -> Kontrolle3 Reaktionen arbeiten fernab des Gleichgewichtes: Hexokinase,
Phosphofructokinase (siehe slide 6)Pyruvat-Kinase
Negative Änderung der freien Enthalpie -> Kandidatenfür Kontrolle.
Wenn Glycogen statt Glucose im Skelettmuskel ver-Braucht wird -> Hexokinase Reaktion umgangen
Pyruvat-Kinase ist letzter Reaktionschritt in Glycolyse->Nicht geeignet als Kontrollpunkt.
Phospohfructokinase (PFK) geeignetsterKontrollpunkt
PFK = tetramer, R und T KonformationszuständeATP = Substrat und allost. Hemmstoff (hohe [ATP ])AMP, ADP, F2,6P = AktivatorenF6P = Substrat (R)
A. Phospohfructokinase: Kontrolle der Glykolyse im Muskel
Mg++
ATP
F6P
2 Untereinheiten
T
R/T
Inhibitorstelle, Aktivatorstelle
R
U. Albrecht BC1
U. Albrecht BC1
Aktivator
Inhibitor (PGC= 2 Phosphoglykolat = PEP Analog)Ionische Wechselwirkung-/+ F6P gebunden-/- F6P abgestossen ATP wird durch Creatinkinase und Adenylat-Kinase
Gepuffert. D.h. ATP KonzentrationsveränderungenSind relativ gering -> d.h. kann nicht alleine die Aktivität von PFK regulieren.-> AMP und ADP heben Hemmung der PFK durchATP auf da sie bevorzugt an den R-Zustand binden.
Allosterische Änderung der PFK (Bacillus stearothermophilus)
R-Zustand
T-Zustand
U. Albrecht BC1
Änderung des Flusses in der Glykolyse 100 fach. Solche drastischen Steigerungen nur möglich wenn Reaktionennahe 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/molFBPase: FBP + H2O --> F6P + Pi -8.6 kJ/molKombination --> netto 1 ATP verbrauchtGruppe von gegenläufigen Reaktionen = Substratkreislauf oder Substratcyclus
Ruhezustand Muskel, beideEnzyme aktiv -> Fluss gering
Aktiver Muskel -> PFK nimmt zuFBPase ab --> dramatischer Anstiegdes glykolytischen Flusses
Aktivatoren der PFK (AMP, F2.6P)hemmen die FBPase.--> Aktivierung PFK --> InhibierungFBPaseEssentiell für plötzliche hoheglycolytische Flussrate bei hohemEnergiebedarf (Fluchtbereitschaft usw.)
Möglicherweise auch hormonell kontrolliert.Thermogenese (Schilddrüsenhormone).
Chronische Obesitas -> geringerer Stoff-wechselumsatz -> verringerte Thermogenese ->Kälteempfindlich (keine Erhöhung der Schild-drüsenhormone bei Kälte).
B. Substratkreislauf
U. Albrecht BC1
5. Stoffwechsel von anderen Hexosen als Glucose
U. Albrecht BC1A. Fructose
Fructose Brennstoffquelle wenn Früchte oder Saccharose aufgenommen werden. Muskel und Leber verschiedene Repertoire an Enzymen -> Fructose Abbau verschieden.
Kann für Synthese vonTriacylglyceriden gebrauchtWerden.
Zuviel Fructose (Infusion) -> F1Pschneller produziert als abgebaut->ATP Konentration in Leber sinkt ->Glykolyse und Lactatproduktionsteigt -> hohes Lactat im Blut lebensbedrohlich.
Fructoseunverträglichkeit ->Typ-B-Aldolase Mangel -> Individuen entwickeln AbneigungGegenüber süssem.
U. Albrecht BC1B. Galactose
Milchprodukte -> Lactose = Disaccharid aus Glucose und Galactose.
Hexokinase erkennt Galactose nicht -> Epimerisierungschritt
Epimerisierung läuft über UDP-Glucose (siehe später).
U. Albrecht BC1
Galactosämie
Mangel an Galactose-1-phosphat uridyltransferase ->Anhäufing toxischer Nebenprodukte -> Entwicklungs-Störungen, geistige Retardierung.Glalactose hoch im Blut -> in Augenlinse umgewandelt In Galactitol -> grauer StarGalacotsefreie Diät behebt alle Symptome.Für Synthese von Glycoproteinen Galactose aus Um-kehrung der Epimerisierungsreaktion aus Glucose synthetisiert.
Galactoseabbau
U. Albrecht BC1C. Mannose
C2 Epimer von Glucose
Hexokinase erkennt Mannose -> Phosphorylierung
U. Albrecht BC1
Energiewährungen in der Zelle:ATPNADH -> 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, Neben-nierenrinde
30% der Glucoseoxidation in der LeberÜber Pentosephosphatweg
Stufe 1: oxidative Reaktionen
Stufe 2: Isomerisierung und Epimeris.
Stufe 3: Bilden und Spalten von C-C
Stufen 2+3 vollständig reversibel
6. Der Pentosephosphatweg
U. Albrecht BC1
1. Glucose-6-phosphate dehydrogenase-> Lacton
2. 6-Phosphogluconolactonase ->Ringöffnung
Startpunkt G6P aus Glykolyse (Hexokinase) oder Glykogenabbau
A. Stufe 1: Oxidation unter Bildung von NADPH und Ribulose-5-phosphat
U. Albrecht BC1
Relative Mengen von R5P und Xu5P hängtvom Bedarf der Zelle ab.
Wenn Pentosephosphatweg nur für NADPHProduktion gebraucht wird ist das VerhältnisXu5P : R5P = 2:1
In teilenden Zellen DNA-Synthese gesteigert->R5P vermehrt produziert da Vorläufermolekülfür Nucleotide.
B. Stufe 2: Isomerisierung und Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat
U. Albrecht BC1
Aus 3 G6P entstehen 3 Ru5P.
Aus diesen 3 C5 Zuckern entstehen dann 2 C6 und ein C3 Zucker.
Transaldolasen und Transketolasen -> Bildung stabilisierter CarbanionenMit Hilfe von TPP
Transketolase Reaktion
Katalysiert die Übertragung von C2-Einheiten
C. Stufe 3: Reaktionen zur Knüpfung und Spaltung von C-C Bindungen
U. Albrecht BC1
Transaldolase Reaktion
Katalysiert die Übertragung von C3-Einheiten
U. Albrecht BC1
Transketolase
Transaldolase
Transketolase
U. Albrecht BC1
Hauptprodukte des Pentosephosphat-weges
Glucose-6-phosphatdehydrogenase bestimmt Fluss durchPentosephosphatweg.Dieser Schritt wird durch NADPH Konzentration kontrolliert.
D. Kontrollmechanismen des Pentosephosphatweges
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