Hemmung
Hemmung
Hemmung
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
Vorlesung Grundlagen und Biochemie der Ernährung<br />
WS 2012/2013<br />
Junprof. Melanie Esselen<br />
Grundlagen und Biochemie der Ernährung I<br />
-Energiebilanz-
Gliederung<br />
3.1 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen<br />
3.1.1 Stoffwechsel der Makronährstoffe<br />
3.1.2 Schritte der Energiegewinnung aus den Nährstoffen – Resorptionsphase<br />
3.1.3 Oxidative Energiegewinnung<br />
3.2. Glykolyse<br />
3.2.1 Grundsätzliche Merkmale der Glykolyse<br />
3.2.2 Reaktionsprinzip der Glykolyse<br />
3.2.3 Kontrollpunkte der Glykolyse<br />
3.2.4 Gewebsspezifität der Glykolyse<br />
3.3. Oxidativer Abbau der Nährstoffe<br />
3.3.1 Acetyl-CoA im Zentrum kataboler und anaboler Prozesse<br />
3.3.2 Der Citratzyklus<br />
3.3.3 Aufbau eines elektrochemischen Gradienten an der inneren Membran der Mitochondrien<br />
3.4 Gewebsspezifische Stoffwechsel<br />
3.5 Speicher der Makronährstoffe<br />
3.6 Postresorption<br />
3.6.1 Gewebsspezifischer postprandialer Stoffwechsel<br />
3.6.2 Längerandauernder Hunger<br />
3.6.3 Ketogenese<br />
3.7 Obligater Glukoseverbrauch
3.1 Die Gewinnung biologischer Energie aus<br />
Nährstoffen<br />
� Bewegung, Wachstum, Biosynthese etc. sind Prozesse, die Energie<br />
verbrauchen � Organismen müssen daher ständig Energie erzeugen<br />
� Zellen verwenden chemische Energie<br />
� Gradienten (Ionen-, pH-, Potentialgradienten)<br />
� Energiereiche Moleküle (ATP, auch GTP, UTP)<br />
� Reduktionsäquivalente (NADH, NADPH, FADH 2)<br />
� Die Energie wird durch Oxidation (“Verbrennung”) organischer Moleküle<br />
(Nährstoffe) erzeugt und in Form von ATP für biochemische Prozesse<br />
verfügbar gemacht
3.1.1 Stoffwechsel der Makronährstoffe<br />
oxidativ: max. 4 g/Kg KG<br />
oxidativ: abhängig von Aufnahme<br />
oxidativ: max. 0.7 g/Kg KG<br />
oxidativ: 100%<br />
80%
Exkurs: Ethanol als Energielieferant<br />
Brennwert: 7,1 kcal/g (29,7 kJ/g)<br />
ca. 15 g in 0,33 l<br />
Alkoholfreies bis 0,5Vol% ~ 1,5g<br />
ca. 16 g in 0,2 l<br />
ca. 7 g in 0,02 l<br />
ca. 500 kcal/Glas…<br />
LONG ISLAND ICE TEA<br />
Zutaten:<br />
2 cl Cointreau<br />
2 cl Gin<br />
2 cl Rum (braun)<br />
2 cl Tequila (Silver)<br />
2 cl Wodka<br />
4 cl Orangensaft<br />
1 cl Zitronensaft<br />
7 cl Coca Cola<br />
Eiswürfel<br />
Glas: Longdrink
3.1.2 Schritte der Energiegewinnung aus den Nährstoffen<br />
-Resorptionsphase-<br />
Nahrung<br />
Verdauung<br />
Resorption<br />
Umbau zu<br />
universellen<br />
Einheiten<br />
Oxidation in<br />
gemeinsamen<br />
Stoffwechsel-<br />
prozessen
3.1.3 Oxidative<br />
Energiegewinnung<br />
� Abbau der großen Moleküle zu kleineren<br />
Einheiten � hierbei wird kaum Energie frei<br />
� Abbau der zahlreichen Moleküle zu einigen<br />
einfachen Einheiten (z. B. in Acetylgruppe des<br />
Acetyl-CoA) � hierbei entstehen geringfügige<br />
Mengen an ATP<br />
� Citratzyklus und oxidative Phosphor-<br />
ylierung � hier liefert das Acetyl-CoA die<br />
Acetyleinheiten, die im Citratzyklus vollständig<br />
zu CO 2 oxidiert werden<br />
� Mehr als 90% des beim Abbau der<br />
Nahrungsstoffe erzeugten ATP wird in diesem<br />
dritten Abschnitt gebildet
3.2. Die Glykolyse<br />
3.2.1 Grundsätzliche Merkmale der Glykolyse<br />
� Bedeutung: Erzeugung von ATP und von Bausteinen für Synthesen (z.B. AcetylCoA<br />
für Fettsäuresynthese)<br />
� Glykolyse � Energiegewinnung (ATP) ohne Beteiligung von Sauerstoff<br />
(„Substratketten-Phosphorylierung“)<br />
� Glukose + 2 P i + 2 ADP + 2 NAD + � 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H 2O<br />
� NADH: ursprünglich keinen Beitrag zur Energiegewinnung<br />
� Aerobe Organismen: ATP-Bildung („oxidative Phosphorylierung“ in den Mitochondrien)<br />
� Alle Reaktionen der Glykolyse finden im Zytosol statt<br />
� d.h. alle Enzyme und Substrate sind in Lösung<br />
� keine Kompartimentbildung in separaten Reaktionsräumen<br />
� Richtung der Reaktionen vorgegeben durch<br />
� Substratspezifität der Enzyme<br />
� irreversible Reaktionsschritte<br />
� Kontrolle durch Regulation der jeweiligen Schlüsselenzyme
3.2.2 Reaktionsprinzip<br />
der Glykolyse<br />
1. Stufe: Priming + Splitting:<br />
� Aktivierung von Glukose zur<br />
Spaltung in zwei C3-Einheiten<br />
2. Stufe: Oxidoreduktion/<br />
Phosphorylierung<br />
� Reaktion von 2 Molekülen 1,3-Bis-<br />
phosphoglycerat zu 2 Molekülen<br />
Pyruvat wird Energie frei<br />
� Phosphorylierung von vier<br />
Molekülen ADP zu ATP<br />
� Bildung von zwei Molekülen NADH<br />
http://biochemie.web.med.unimuenchen.de/biotutor_2004/Glyko<br />
lyse.jpg
3.2.3 Die Kontrollpunkte der Glykolyse – Überblick<br />
Glukose<br />
Glukose-6-Phosphat<br />
Fruktose-6-Phosphat<br />
Fruktose-1,6-biphosphat<br />
Dihydroxyaceton-<br />
Phosphat<br />
1,3-Bisphospoglycerat (2x)<br />
Pyruvat (2x)<br />
ATP-Verbrauch<br />
Glycerinaldehyd-<br />
3-Phosphat (2x)<br />
ATP-Gewinn (2x)<br />
3-Phosphoglycerat (2x)<br />
2-Phosphoglycerat (2x)<br />
Phosphoenolpyruvat (2x)<br />
ATP-Verbrauch<br />
Dehydrogenierung: NADH (2x)<br />
Dehydratisierung<br />
ATP-Gewinn (2x)<br />
1. Phosphorylierung<br />
• „Festhalten der Glukose<br />
• Reaktion ist irreversibel (Ventilfunktion)<br />
• Enzym Hexokinase wird reguliert<br />
2.Phosphorylierung<br />
• „Freigabe“ zur Glykolyse<br />
• Reaktion ist irreversibel (Ventilfunktion)<br />
• Enzym Phosphofructokinase wird reguliert<br />
Spaltung in zwei C3-Körper und Isomerisierung<br />
Dehydratisierung und anschließend P-Übertragung<br />
auf ADP<br />
• Reaktion ist irreversibel (Ventilfunktion)<br />
• Enzym Pyruvatkinase wird reguliert
Hexokinase-Reaktion<br />
Glukosetransporter<br />
Zellmembran<br />
ATP<br />
Glykolyse<br />
ADP<br />
Glukose<br />
Aktivierung<br />
Hexokinase<br />
Glukose-6-Phosphat<br />
<strong>Hemmung</strong><br />
Glykogensynthese<br />
Pentosephosphatzyklus<br />
Die Hexokinase-Reaktion steuert generell<br />
die Aufnahme von Glukose in die Zelle<br />
Aktivierung:<br />
durch Glukose selbst �„induced fit“<br />
freie Glukose wird sofort verarbeitet<br />
Der Grundzustand der Regulation steht auf<br />
„Einstrom in die Zelle“<br />
<strong>Hemmung</strong>:<br />
durch Glc-6-P � Produktüberschuss<br />
Hintergrundinformation: In der Leber und im<br />
Pankreas wird die gleiche Reaktion durch ein<br />
weiteres Enzym katalysiert, die Glukokinase. Sie<br />
hat jedoch einen hohen Km-Wert und arbeitet<br />
sonst erst bei hohem Glukoseangebot (Situation<br />
bei Glykogensynthese).
Phosphofruktokinase - Reaktion<br />
Fruktose-6-Phosphat<br />
ATP<br />
ADP<br />
Phospho-<br />
fruktokinase<br />
Fruktose-1,6-Bisphosphat<br />
endgültiger Abbau<br />
Die Phosphofruktokinase-Reaktion ist der<br />
eigentliche Schrittmacher des Abbaus von<br />
Glukose über die Glykolyse !<br />
Aktivierung:<br />
- durch Glukose und Insulin<br />
- durch ADP und AMP<br />
- durch Fructose-2,6-bisphosphat<br />
<strong>Hemmung</strong>:<br />
- hoher ATP/AMP-Quotient � Energieladung<br />
- hohes Citrat-Angebot � Produktüberschuss<br />
- durch H+ (aus Laktat) � Übersäuerung des Bluts<br />
- cAMP
Pyruvatkinase - Reaktion<br />
Phosphoenolpyruvat<br />
ADP<br />
ATP<br />
Pyruvat<br />
Pyruvatkinase<br />
Die Pyruvatkinase steuert die Menge der<br />
gebildeten Endprodukte der Glykolyse<br />
Aktivierung in der Leber<br />
- Glukose + Insulin<br />
- Fruktose-1,6-Bisphosphat � Substratüberschuss<br />
Allosterische <strong>Hemmung</strong>:<br />
- hoher ATP/AMP-Quotient � Energieladung<br />
- hohes Alanin-Angebot � Produktüberschuss<br />
- hohes Acetyl-CoA-Angebot<br />
Reversible Inaktivierung über Phosphorylierung:<br />
- Glukagon als Signalgeber � Glukosemangel
3.2.4 Die Glykolyse ist gewebsspezifisch<br />
� Die beschriebene Reaktionsfolge der Glykolyse kann in den meisten<br />
Geweben auch in Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen (anaerobe<br />
Glykolyse, z.B. im Skelettmuskel !)<br />
� Erythrozyten: Substratkettenphosphorylierung einzige ATP-Quelle.<br />
� Für die meisten Zellen ist Substratkettenphosphorylierung nur ein<br />
Nebenweg der ATP-Gewinnung, da diese das Pyruvat über die<br />
Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion in die Mitochondrien einschleusen
3.3 Oxidativer Abbau der Nährstoffe<br />
3.3.1 Moleküle der energieliefernden Stoffe werden zu<br />
C2-Fragmenten in Form von Acetyl-CoA abgebaut<br />
3.3.2 Acetylreste werden in den Tricarbonsäure- oder Citratzyklus<br />
eingeschleust<br />
� Oxidation zu CO 2� Reduktionsäquivalente<br />
3.3.3 Aufbau eines elektrochemischen Gradienten an der<br />
inneren Membran der Mitochondrien<br />
3.3.4 Synthese von ATP aus ADP und P
3.3.1 Acetyl-CoA im Zentrum kataboler und anaboler<br />
Prozesse
3.3.2 Citrat- oder Tricarboxylic acid (TCA-) oder<br />
Krebs Zyklus<br />
� Beschrieben durch H. Krebs (1937)<br />
� Ziel ist die Oxidation von Acetyl-CoA zu CO 2.<br />
� Im Gegensatz zur Glykolyse handelt es sich um eine zyklische<br />
Reaktionsabfolge von 8 Schritten, die in den Mitochondrien stattfinden.<br />
� Vier der acht Schritte sind Oxidationen, bei denen die Energie der Oxidation<br />
durch die Bildung von reduzierten Kofaktoren (NADH, FADH 2) mit hohem<br />
Wirkungsgrad konserviert wird, die durch die oxidative Phosphorylierung<br />
genutzt wird.<br />
� Zusätzlich wird direkt Energie in Form von ATP/GTP gewonnen.<br />
http://bilder.buecher.de/zusatz/14/14625/14625958_lese_1.pdf
�Produktion von:<br />
� 2 CO 2<br />
� 1 GTP (wird durch Nucleosid-<br />
diphosphatkinase in ATP<br />
umgewandelt)<br />
�4 Reduktionsäquivalente<br />
(FADH 2/NADH))<br />
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/c<br />
ommons/thumb/e/e8/Citratcyclus.svg/6<br />
60px-Citratcyclus.svg.png
Pyruvatdehydrogenasekomplex <br />
http://biochemie.web.med.unimuenchen.de/biotutor_2004/OxDecarb.jpg
Anaplerotische Reaktionen<br />
• verbrauchte Zwischenprodukte können durch anaplerotische (auffüllende)<br />
Reaktionen nachgeliefert werden:<br />
Oxalacetat (OA) muß in ausreichenden Mengen vorliegen, da sonst Acetyl-CoA<br />
nicht in den TCA eingeschleust werden kann<br />
Säuger können OA nicht direkt aus Acetyl-CoA bilden, daher ist “auffüllen”<br />
durch Pyruvat-Carboxylase (Enzym der Gluconeogenese) wichtig
Citrat<br />
α-Ketoglutarat<br />
ATP<br />
NADH/NAD +<br />
ATP<br />
NADH/NAD +<br />
Succinyl-CoA<br />
NADH/NAD +<br />
Enzymatische Regulation des Citratzyklus
Steuerung über die Pyruvatdehydrogenase<br />
� Aktivitätsbeeinflussung durch Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung<br />
http://proteopedia.org/wiki/images/0/0b/400px-1400x1048_pdh_regulation.png
3.3.3 Aufbau eines elektrochemischen Gradienten<br />
an der inneren Membran der Mitochondrien<br />
Elektronenpotenzial<br />
(z.B. Nervenzelle)<br />
Aktiver Transport<br />
entgegen einem<br />
Konzentrationsgefälle<br />
ATP-Erzeugung in den<br />
Mitochondrien<br />
Protonengradient<br />
Geißelrotation bei<br />
Bakterien<br />
Glykolyse<br />
β-Oxidation<br />
Citratzyklus<br />
AS-Abbau<br />
Wärmeerzeugung<br />
(braunes Fettgewebe)<br />
NADPH-Erzeugung<br />
für Syntheseprozesse
Exkurs<br />
“Mitochondrion”<br />
50% Lipid/50% Protein<br />
wenig Enzyme, Transporter<br />
80% Protein<br />
viele Enzyme, Transporter für<br />
AS, Pi, ATP, Pyruvat
Mitos: Schematisch<br />
� Äußere Membran<br />
� wenige Enzyme (zB.<br />
Nucleosiddiphosphatkinase)<br />
� “frei” durchlässig<br />
� OxPhos läuft an der inneren Membran ab<br />
� Mitosol (= mitochondriale Matrix)<br />
� katabole Vorgänge : TCA,<br />
Fettsäurenverbrennung (b-Oxidation) etc.<br />
� eigene DNA (mtDNA)!
Erkrankungen infolge defekter mtDNA<br />
http://www.spektrum.de/artikel/824167
3.3.3.1 Atmungskette<br />
� Obwohl der Citratzyklus als ein Teil der oxidativen Energiegewinnung<br />
gilt, macht keine seiner Reaktionen unmittelbaren Gebrauch von<br />
molekularem Sauerstoff.<br />
� Dabei geben die reduzierten Coenzyme NADH und FADH 2 ihre<br />
Elektronen stufenweise ab, wobei O 2 zu H 2O reduziert wird<br />
H 2 + ½ O 2 � H 2O ΔG = -234 kJ
3.3.3.1 Atmungskette<br />
Die<br />
Atmungskette<br />
liefert:<br />
3 Mol ATP pro<br />
1 Mol NADH 2<br />
2 Mol ATP pro<br />
1 Mol FADH 2
Maximale Ausbeute aus 1 mol Glucose
3.4 Gewebsspezifische Stoffwechsel<br />
Leber Leber bildet Glykogen (Speicher) und Fette (Abgabe als Lipoproteine in die<br />
Blutbahn). Abgabe durch Leberenzyme gesteuert. Metabolisierung: Fremd-<br />
stoffe zu detoxifizieren; Verbesserung der Löslichkeit<br />
Gehirn ~ 20% Sauerstoffbedarf; kaum Glykogenspeicher � ständige Glukosezufuhr<br />
(kurzfristig Ketonkörper); ATP-Generierung aus Glukose � Aufbau / Aufrecht-<br />
erhaltung des elektrischen Potentials in der Plasmamembran der Neuronen<br />
Fettgewebe besteht aus Fettzellen (Adipocyten) � sehr aktiver Stoffwechsel und schnelle<br />
Muskulatur<br />
Reaktion auf hormonelle Signale; Triglyceridspeicher: Bei Bedarf z.B. körper-<br />
liche Anstrengung oder unzureichende Nährstoffzufuhr werden Fettsäuren<br />
wieder ins Blut freigesetzt und z.B. zu den die Muskelzellen transportiert und<br />
dort zur Energiegewinnung verwendet.<br />
Stoffwechsel der Muskelzellen (Myocyten) ist darauf spezialisiert, den hohen<br />
Energiebedarf der Muskulatur zu sichern, indem er verschiedene Substrate<br />
zur ATP-Synthese nutzt.Ruhe / leichte Aktivität: Blutglukose & Ketonkörper<br />
(Leber), Fettsäuren (Fettgewebe / Leber); plötzlich einsetzender starker<br />
Aktivität: Glykogen
3.5 Speicher der Makronährstoffe**<br />
Makronährstoff Menge bei 65 kg KG Energieäquivalent<br />
Kohlenhydrate<br />
freie Glukose 12 g 0,2 MJ 30 Minuten<br />
Glykogen 450 g 7.65 MJ 18 Stunden<br />
Fett<br />
Triglyceride 15 kg 550 MJ 55 Tage<br />
Proteine*<br />
12,5 kg 210 MJ 21 Tage<br />
*Theoretischer Wert, Körperprotein kann nicht vollständig für den Energiebedarf abgebaut werden<br />
** Bei der Berechnung wurde angenommen, dass der Brennwert von KH und Eiweiß jeweils 17 kJ/g, der<br />
Brennwert von Fett 37 kJ/g und der Energieverbrauch 10 MJ/d betragen<br />
als alleinige Energiequelle<br />
theoretisch ausreichend<br />
für
3.6 Postresorption (ohne Nahrung)<br />
Der Organismus greift jetzt auf seine Energiereserven zurück. Dazu baut der Speicherstoffe, also Glykogen,<br />
Fette und Proteine ab und verschiebt energieliefernde Metaboliten zwischen den Organen.
3.6.1 Gewebsspezifischer postprandialer Stoffwechsel<br />
Leber Leerung der Glykogenspeicher; Abgabe der freigesetzten Glukose an übrige<br />
Gewebe (v. a. Gehirn, Nervengewebe, Erythrocyten). Nach 12-24h sind die<br />
Glykogen-Reserven der Leber erschöpft � Glukoneogenese (AS aus Musku-<br />
latur). Aus freigesetzten Fettsäuren beginnt die Leber, Ketonkörper zu<br />
synthetisieren (Energiequelle)<br />
Gehirn Glukose aus dem Glykogenabbau der Leber. Nach 1-2 Wochen beginnt auch<br />
das ZNS zur Einsparung von Glukose einen Teil seines Energiebedarfs aus<br />
Ketonkörpern zu decken. Hungerperiode � Deckung des Energiebedarfs zu<br />
einem immer größer werdenden Anteil aus der Oxidation der Ketonkörper<br />
(Ketogenese).<br />
Fettgewebe körperliche Anstrengung / unzureichender Nährstoffzufuhr � Freisetzung von<br />
Muskulatur<br />
Fettsäuren ins Blut; Energielieferant für viele Gewebe (Ausnahme Gehirn /<br />
Erythrozyten. Auslöser Lipolyse: Glucagon<br />
Anaeroben Glykolyse: es entsteht über den Glukoseabbau erst Pyruvat, dann<br />
Laktat (Laktat-Dehydrogenase). Die Laktatproduktion ist mit der Entstehung<br />
von Protonen verbunden (Milchsäure beim pH-Wert der Zelle fast vollständig<br />
dissoziiert) � Erhöhung der H+-Konzentration gilt als Grund für die Muskeler-<br />
müdung. Der langsam einsetzende Proteinabbau liefert AS für die Glukoneo-<br />
genese in der Leber (Alanin-Cyklus).
3.6.2 Längerandauernder Hunger
3.6.3 Ketogenese<br />
Ketonurie � Diabetes mellitus Typ I<br />
Leber<br />
Ketonkörper werden<br />
ans Blut abgegeben<br />
und können in allen<br />
Organen verwertet<br />
werden.
3.7 obligater Glukoseverbrauch
Change language