Praktikumsreferat Biochemie - DocCheck Campus

campus.doccheck.com

Praktikumsreferat Biochemie - DocCheck Campus

Praktikumsreferat Biochemie

Thema: Glycolyse und Gluconeogenese

1. Glycolyse im Überblick

Die Glycolyse (gr.: glykys = süß, lysis = auflösen) beschreibt den Abbau von Glucose zu

Pyruvat (aerobe Glycolyse = ausreichend Sauerstoff vorhanden) oder Laktat ( anaerobe Gl. =

Sauerstoffmangel).

CAVE: Für die Glycolyse selbst wird KEIN Sauerstoff benötigt, auch wenn die

Unterscheidung von aerober und anaerober Glycolyse dies nahelegt. Man spricht deshalb von

aerober Glycolyse, weil hier Pyruvat als Endprodukt entsteht, daß dann im Rahmen der

Atmungskette, aerob, vollständig abgebaut werden kann.

In den menschlichen Zellen hat die Glycolyse zwei Aufgaben:

1. Abbau von Glucose zur Erzeugung von Energie

2. liefert Bausteine für Biosynthesen (z.B. für Synthese von Fettsäuren und Cholesterin)

Eine Besonderheit der Glycolyse ist, daß sie in jeder Zelle ablaufen kann. Da sie im

Cytoplasma stattfindet, können sogar hochdifferenzierte Zellen wie die Erys Glycolyse

betreiben. Außerdem bietet die Glycolyse die einzige Möglichkeit für unseren Körper, ohne

Sauerstoff Energie zu erzeugen.

Beim Abbau von Glucose werden Bindungen gespalten, wodurch Energie freigesetzt wird.

Unter diesem Gesichtspunkt kann man die Glycolyse in zwei Phasen einteilen:

1. Vorbereitungsphase: Für die ersten 5 Reaktionen der Glycolyse wird Energie in Form von

zwei ATP investiert. Das Ergebnis sind 2 Moleküle Glyceral-3-Phosphat pro eingesetztem

Glucosemolekül, die dann weiter verstoffwechselt werden.

2. Phase der Energieerzeugung: Durch die nächsten 5 Reaktionen entstehen 2 Moleküle

NADH / H + , 4 Moleküle ATP und 2 Moleküle Pyruvat.

Die Nettoausbeute an Energie beim Abbau eines Moleküls Glucose bis zum Pyruvat beträgt

also 2 ATP. Diese 2 ATP sind verglichen mit der Atmungskette zwar ziemlich dürftig, aber

für Zellen wie die Erys (keine Atmungskette) die einzige Möglichkeit, überhaupt Energie zu

erzeugen. Außerdem ermöglicht dieser kleine Energiegewinn vielen Zellen, einen kurzen

Sauerstoffmangel zu überleben.

Zum weiteren Abbau kann Pyruvat zwei Wege einschlagen:

• Ist genügend Sauerstoff vorhanden, erfolgt die komplette Oxidation zu CO2 und H2O über

die Atmungskette.

• Bei Sauerstoffmangel erfolgt die Reduktion zu Laktat, das ins Blut abgegeben wird.

Die Glycolyse wird wie alle anderen Stoffwechselwege auch über Enzyme reguliert. Bei

einem solch komplexen Vorgang wie der Glycolyse werden aber nie alle Enzyme, sondern

nur die der Schlüsselreaktionen reguliert. Diese sogenannten Schlüsselenzyme sind:

• Hexokinase, welches die Glucose nach der Diffusion in die Zelle unter ATP-Verbrauch zu

Glucose-6-Phosphat phosphoryliert; diese Reaktion ist stark exergon und daher irreversibel

• Phosphofructokinase 1, welche einen zweiten Phosphatrest in das Molekül Fructose-6-

Phosphat einbaut; auch diese Reaktion ist stark exergon

Adrian Knispel - 1 - 21. März 2003


• Pyruvatkinase, welche vom Phosphoenolpyruvat das Phosphat abspaltet und es auf ADP

überträgt; ebenfalls exergon und irreversibel

Diese Schlüsselenzyme regulieren die Geschwindigkeit der Glycolyse. Sie arbeiten,

verglichen mit anderen Enzymen, recht langsam, verursacht durch eine schwache

Wirksamkeit des Enzyms (so phosphoryliert die Hexokinase auch andere Hexosen wie

Fructose oder Mannose). Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt daher nicht vom

Substratangebot ab, sondern von der Enzymaktivität, was man eine enzymbegrenzte

Reaktion nennt. Die Langsamkeit dieser Reaktion drosselt die Geschwindigkeit der gesamten

Sequenz und macht diese Enzyme zu wichtigen Kontrollstellen im Stoffwechselweg.

Gibt es mehrere solcher Schlüsselreaktionen, bestimmt der langsamste Teilschritt der

Reaktionsfolge die Geschwindigkeit. Dies bezeichnet man als Schrittmacherreaktion. Bei der

Glycolyse wird diese von der PFK 1 katalysiert.

Wie bereits erwähnt, läßt sich die Glycolyse energetisch in zwei Schritte einteilen. Die ersten

5 Schritte verbrauchen pro Molekül Glucose 2 ATP. An welcher Stelle wird nun aber Energie

konserviert?

Bei der Oxidation von Glyceral-3-Phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat entsteht eine

energiereiche Säureanhydridbindung am C1. Diese Reaktion ist biochemisch wirklich

interessant. Die Aldehydgruppe von Glyceral-3-Phosphat wird nämlich nicht einfach zu einer

freien Carboxylgruppe oxidiert. Vielmehr wird die Energie genutzt, um ein Anhydrid aus

Carbonsäure und Phosphorsäure zu erzeugen. Dadurch wird die Energie der Oxidation

kurzfristig konserviert. Außerdem kann das Coenzym NAD + reduziert werden, was in der

Atmungskette noch einige Moleküle ATP liefert.

Bei der nun folgenden Spaltung der Anhydridbindung wir die Energie wieder frei und zur

Bildung von ATP aus ADP genutzt. Hierzu überträgt die 3-Phosphoglycerat-Kinase das

angeheftete Phosphat auf ADP – es entstehen ATP und 3-Phosphoglycerat. Erst an dieser

Stelle führt die Glycolyse zum ersten mal zu einem Energiegewinn. Pro Molekül Glucose sind

das 2 ATP. Damit hat die Zelle nun schon mal ihre investierte Energie wieder reingeholt.

Da die bei dieser Reaktionskette freiwerdende Energie nicht als Wärme verpufft, sondern für

die ATP-Erzeugung genutzt wird, nennt man den Vorgang Substratketten-Phosphorylierung.

Diese ist von der oxidativen Phosphorylierung der Atmungskette zu unterscheiden,

bei der aus ADP und anorganischem Phosphat ATP hergestellt wird.

Eine zweite Substratketten-Phosphorylierung findet bei der Reaktion von Phosphoenolpyruvat

zu Pyruvat statt. Hier werden nicht nur 2 ATP gebildet, sondern zusätzlich noch über 30

kJ/mol Energie frei. Damit haben wir aus der Glycolyse 2 Moleküle ATP netto gewonnen.

Das in der Glycolyse entstandene Pyruvat hat nun zwei Möglichkeiten, weiter abgebaut zu

werden:

1. aerober Abbau zu CO2 und H2O im Mitochondrium

2. anaerober Abbau zu Laktat im Cytoplasma

Die Wahl des Weges hängt nun davon ab, ob eine Zelle Mitochondrien besitzt (Erys haben

keine) und wenn ja, wieviel Sauerstoff zur Verfügung steht.

Ein Grundprinzip des Stoffwechsels jeder Zelle ist, daß jeder verbrauchte Stoff immer

nachgefüllt werden muß. Führt also die Glycolyse z.B. dazu, daß NAD + verbraucht wird,

dann muß dieses an anderer Stelle wieder nachgeliefert werden. In unseren Zellen gibt es

neben der Glycolyse noch zahlreiche andere Reaktionen, die NAD + verbrauchen, aber nur

zwei, die nennenswerte Mengen erzeugen:

1. Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, die mit der Oxidation von NADH/ H + zu NAD + in

den Mitochondrien im Rahmen der Atmungskette verbunden ist (aerob)

Adrian Knispel - 2 - 21. März 2003


2. Reduktion von Pyruvat zu Laktat im Cytoplasma, bei der gleichzeitig NADH/H + zu NAD +

oxidiert wird (anaerob)

Im Normalfall ist ausreichend Sauerstoff vorhanden, so daß NAD + in der Atmungskette

regeneriert werden kann. Pyruvat wird dabei in die Mitochondrien eingeschleust und dort

vollständig zu CO2 und H2O abgebaut (=oxidiert).

Bei intrazellulärem Sauerstoffmangel entsteht nun durch die Glycolyse immer mehr

NADH/H + im Cytoplasma, daß aber in der Atmungskette nicht mehr zu NAD + regeneriert

werden kann. Ohne dieses kommt jedoch die Glycolyse zum Stillstand, weil es für die

Reaktion von Glyceral-3-Phosphat zu 1,3-Bisphosphatglycerat benötigt wird. Einziger

Ausweg ist dann die Reduktion von Pyruvat zu Laktat, bei der gleichzeitig NADH/H + durch

die Laktat-Dehydrogenase (LDH) zu NAD + oxidiert wird.

Für die Entstehung von Laktat in unserem Körper sind zwei Zelltypen wichtig. Unsere Erys

sind allein auf die Glycolyse angewiesen, weil sie keine Mitochondrien besitzen und damit

keine Atmungskette ausführen können. Sie können also nur über die anaerobe Glycolyse

Energie erzeugen. Die LDH reoxidiert das NADH/H + und gibt das entstehende Laktat ins Blut

ab. In unserem Muskelzellen entsteht immer bei einem Sauerstoffmangel vermehrt Laktat.

Das ist bei starker Muskelaktivität und Dauerleistungen der Fall. Über die anaerobe Glycolyse

kann der Muskel sich so zusätzliche Energie holen.

Adrian Knispel - 3 - 21. März 2003


2.Gluconeogenese im Überblick

Die Gluconeogenese ist die endogene Biosynthese von Glucose aus Nicht-Zuckern. Da die

Glykogenvorräte unserer Leber beschränkt sind, ist unser Körper in manchen Situationen auf

eine funktionierende Gluconeogenese angewiesen. Schon nach einer einzigen Nacht wird sie

verstärkt betrieben – so richtig legt sie bei schwerer körperlicher Arbeit los.

Zum Aufbau der Glucose werden v.a. die Aminosäure Alanin und Laktat (wie gerade schon

besprochen aus den Erys und der arbeitenden Muskulatur) verwendet. Daneben dienen auch

andere Aminosäuren und Glycerin der Glucoseneubildung.

Die meisten Reaktionen der Glycolyse sind reversibel und laufen bei der Gluconeogenese

einfach in die entgegengesetzte Richtung. Die drei Schlüsselreaktionen der Glycolyse

allerdings (welche waren das noch gleich?) sind irreversibel und müssen so mit Alternativen

ersetzt werden. Daher sind sie natürlich die Schlüsselreaktionen der Gluconeogenese.

Obwohl die Gluconeogenese Energie kostet, ist sie eine exergonisch ablaufende Reaktion, die

irreversibel ist. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die exergonen Reaktionen der Glycolyse

durch Umgehungsreaktionen ersetzt werden, die eine andere Gleichgewichtslage besitzen und

so ebenfalls exergon sind.

Eine vollständige Gluconeogenese können nur die Leber, die Nieren und der Darm

betreiben. So betreibt die Leber diesen Stoffwechselweg zur Aufrechterhaltung des

Blutglucosespiegels. Sie ist das Stoffwechselorgan überhaupt und somit natürlich auch für die

Versorgung der anderen Organe (wie Gehirn) mit Energie verantwortlich.

Die Nieren betreiben die Gluconeogenese aus einem ganz anderen Grund. In unseren Zellen

entstehen z.B. durch die Glycolyse zwei Moleküle Brenztraubensäure, die bei

physiologischem pH dissoziiert als Pyruvat und H + vorliegen. Unsere Nieren scheiden nun

diese Protonen wieder aus. Kommen dort nun viele Säuren an (z.B. metabolische Azidose),

nutzen auch die Nieren die Gluconeogenese, um aus je zwei Säuren (Pyruvat und eine

Aminosäure) Glucose zu machen.

Die Epithelzellen des Dünndarms werden nahrungsbedingt manchmal geradezu von

Nährstoffen wie Aminosäuren überschüttet. Sie betreiben als dritte die Glucose-Biosynthese,

indem sie einige Aminosäuren in Glucose umwandeln und so bereits im Vorwege bei der

Homöostase mitwirken.

Möchte man die Glycolyse rückwärts beschreiten, müssen unter Energieverlust die drei

Schlüsselreaktionen umgangen werden, weil diese nur in eine Richtung ablaufen. Die

Schlüsselreaktionen der Glycolyse sind, wie bereits erwähnt:

1. Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat

2. Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat

3. Glucose zu Glucose-6-Phosphat

Zu 1.: Diese Reaktion liefert in der Glycolyse nicht nur ATP, sondern auch 30 kJ/mol an

freier Energie, wodurch es eigentlich nötig wäre, zwei ATP zu spalten, um den Rückweg zu

ermöglichen. Die Zelle bedient sich aber einfach eines Umweges über zwei Reaktionen.

Im ersten Schritt wird Pyruvat, das im Cytoplasma entsteht, über einen Symporter ins

Mitochondrium geschleust, wo es mit Hilfe der Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat

carboxyliert wird. Da Oxalacetat auch ein wichtiges Zwischenprodukt des Citratcyklus ist,

entscheidet sich an diesem Punkt der weitere Weg. Je nach Bedarf wird es entweder zu

Glucose aufgebaut (nur bei „Hungerstoffwechsellage“) oder zum Energiegewinn über den

Citratcyklus und die Atmungskette abgebaut. Das Oxalacetat wird bei der Gluconeogenese

mit Hilfe des sog. Malat-Shuttles zusammen mit NADH/H + aus dem Mitochondrium ins

Cytoplasma befördert, wo dann das Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat decarboxyliert wird.

Adrian Knispel - 4 - 21. März 2003


In diesem zweiten Schritt bildet die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase das Schlüsselenzym.

Die Besonderheit hier ist, daß anstelle von ATP als Energielieferant GTP benutzt wird. Die

nächsten Schritte bis zum Fructose-1,6-Bisphosphat laufen einfach rückwärts im Vergleich

zur Glycolyse.

Zu 2.: Die Reaktion von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat ist die stark

exergone Schrittmacherreaktion der Glycolyse. In der Gluconeogenese tritt an die Stelle der

PFK 1 die Fructose-1,6-Bisphosphatase. Es entsteht im Cytoplasma unter

Phosphatabspaltung Fructose-6-Phosphat, welches mit Glucose-6-Phosphat im Gleichgewicht

steht. Letzteres geht in die letzte Reaktion der Gluconeogenese ein.

Zu 3.: Das Schlüsselenzym dieser Reaktion, die Glucose-6-Phosphatase, gibt es nur dort, wo

auch die Gluconeogenese abläuft (Leber, Nierenrinde, Dünndarmepithel). Dieses Enzym

spaltet den letzten Phosphatrest ab, wodurch wir das Endprodukt erhalten – Glucose. Die

Glucose-6-Phosphatase befindet sich im Endoplasmatischen Retikulum, dem dritten

Zellkompartiment der Gluconeogenese.

Die freie Glucose kann dann mittels eines Transporters die Membran der Zelle durchdringen

und über die Blutbahn alle Organe erreichen.

Die Gluconeogenese benötigt also drei Zellkompartimente: das Cytoplasma, die

Mitochondrien und das ER.

Welche Ausgangssubstanzen zur Gluconeogenese herangezogen werden, hängt immer von

den Anforderungen des Organismus ab. Ständiges Substrat ist Laktat, daß immer in großer

Menge z.B. von unseren Erys produziert wird. Der Abbau erfolgt vor allem in der Leber, wo

es entweder der Atmungskette zugeführt oder von der Leber in Glucose umgewandelt wird.

Hungersubstrate sind Alanin und andere glycogene Aminosäuren, die vor allem aus der

Muskulatur stammen. Außerdem benötigt die Leber zur Herstellung von Glucose noch

Fettsäuren als Energielieferanten (aus Acetyl-CoA kann man KEINE Glucose herstellen).

Daneben fällt beim Abbau von Fetten auch Glycerin an, das ebenfalls zur Leber transportiert

und dort als Substrat zur Glucoseherstellung dient.

Die Gluconeogenese erfolgt über drei verschiedene Einstiegsmoleküle:

1. Pyruvat, das aus Laktat und Alanin entsteht. Auch andere C3-Aminosäuren werden zu

Pyruvat abgebaut und dienen so der Biosynthese

2. Oxalacetat dient vielen C4-Aminosäuren als Transportform

3. Glyceron-3-Phosphat entsteht vor allem aus Glycerin und steigt etwas später in die

Reaktionsabläufe ein

Das aus dem Erythrocyten- und anaeroben Muskelstoffwechsel stammende Laktat wird

mithilfe der LDH im Cytoplasma direkt zu Pyruvat umgewandelt. Laktat, das aus der

Muskulatur stammt, wird in der Leber zu Glucose umgewandelt und ans Blut abgegeben,

sodaß es erneut vom Muskel aufgenommen werden kann. Wenn unsere Muskulatur also mal

anstrengend arbeitet, kann sie diese Glucose natürlich gut gebrauchen. Dieser Zyklus wird

nach seinen Entdeckern Gerty und Carl Cori als Cori-Zyklus bezeichnet.

In Hungerzeiten ist die wichtigste Vorstufe von Glucose das Alanin aus der Muskulatur. Beim

Abbau von Muskelproteinen und deren Aminosäuren entsteht zuerst Pyruvat, welches dann

durch die Alanin-Transaminase zu Alanin umgewandelt wird. Alanin gelangt über das Blut in

die Leber und wird dort (ebenfalls über die Alanin-Transaminase) in Pyruvat

zurückverwandelt. Nun kann auch hier wieder Glucose gebildet werden, die dann mit dem

Blut der Muskulatur zur Verfügung gestellt wird.

Adrian Knispel - 5 - 21. März 2003


Welche Energiebilanz können wir nun für die Gluconeogenese erstellen? Sie kostet natürlich

wie alle Biosynthesen Energie in Form von ATP. Es müssen insgesamt 3 Reaktionen der

Glycolyse umgangen werden, die jeweils 1 ATP kosten:

1. Pyruvat zu Oxalacetat

2. Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat (als GTP)

3. 3-Phosphoglycerat zu 1,3-Bisphosphoglycerat

Für ein Molekül Glucose laufen diese Reaktionen zwei Mal ab, was einem Bruttoverlust von

6 ATP entspricht. Da man beim Abbau von Glucose zum Pyruvat wieder 2 ATP gewinnt,

beträgt der Nettoverlust also 4 ATP. Die Gluconeogenese ist in allererster Linie für die

Konstanz des Blutglukosespiegels verantwortlich. Wie man an der Energiebilanz sieht, läßt

sich die Zelle diese Konstanz einiges kosten...

Adrian Knispel - 6 - 21. März 2003


3.Regulation von Glycolyse & Gluconeogenese

Zur Regulation der Glycolyse und der Gluconeogenese gibt es unterschiedliche

Möglichkeiten. Zum einen kann jede Zelle in einem gewissen Umfang ihre Stoffwechselwege

autark regulieren. Dabei werden die Schlüsselenzyme von bestimmten Stoffen kontrolliert,

die innerhalb der Zelle gebildet werden und verschiedene Zustände signalisieren. Dies

bezeichnet man als allosterische Regulation. Sie sorgt zum einen dafür, daß nur so viele

Produkte hergestellt werden, wie gerade benötigt. Eine Leberzelle z.B. kann nur dann Glucose

herstellen, wenn sie selbst genügend Energie zur Verfügung hat – ansonsten würde sie sich

kaputt arbeiten, und davon hätte sie wenig.

Der Körper verwendet zur Steuerung des Stoffwechsels außerdem Hormone. Diese

Botenstoffe erreichen über das Blut alle Organe, übermitteln ihre Informationen aber nur an

diese, die auch die passenden Rezeptoren für diese Hormone besitzen. Über die Rezeptoren

und einen zweiten, nun intrazellulären Botenstoff wird die Botschaft an die Zelle

weitergeleitet. Für die Hormone des Stoffwechsels übernimmt meist cAMP die Rolle des

second messengers. Das cAMP ist ein allosterischer Aktivator. Ein hoher cAMP-Spiegel in

der Zelle ist ein Hungersignal. Es zeigt einen niedrigen Blutglucosespiegel an.

Die allosterische Regulation der Glycolyse ist eine intrazelluläre Regulation, die

hormonunabhängig funktioniert. Grundprinzip dabei ist eine bei den Schlüsselreaktionen

ansetzende Aktivierung oder Hemmung von Enzymen. So wirken Stoffe, die eine gute

Energieversorgung der Zelle anzeigen (wie ATP) als Hemmstoffe der Glycolyse. Diesen

hemmenden Effekt hat auch Citrat, eine Substanz, an deren Entstehung Pyruvat beteiligt ist.

Steigt der intrazelluläre Citratgehalt, wird dieses vermehrt als Baustein für Biosynthesen

verwendet. Steigt der Spiegel noch weiter, liegt irgendwann mehr Citrat in der Zelle vor, als

für die Biosynthesen verwendet werden kann. Ab diesem Zeitpunkt hemmt Citrat die

Glycolyse und damit seine eigene Produktion, um eine Überschwemmung mit Citrat in der

Zelle zu vermeiden. ADP und AMP hingegen wirken aktivierend auf die Glycolyse, weil sie

ja einen Energiebedarf der Zelle anzeigen.

Bei der PFK-1 handelt es sich um eines der kompliziertesten regulatorischen Enzyme. Da sie

das erste Schlüsselenzym ist, daß ausschließlich in der Glycolyse arbeitet (Hexokinase kann

ja auch andere Stoffe umsetzen), ist sie die wichtigste Kontrollstelle des Stoffwechselweges.

Ein allosterischer Stimulator der PFK-1 ist Fructose-2,6-Bisphosphat (gibt es nur in Leber

und Muskulatur). Fructose-2,6-Bisphosphat beschleunigt also die Glycolyse. Für dessen

Produktion und Abbau verfügen Leber und Muskelzellen über ein bifunktionales Enzym,

also ein Enzym mit zwei unterschiedlichen enzymatischen Funktionen.

• Ein Teil des Enzyms ist die PFK-2 (nicht verwechseln mit PFK-1!!), die die Herstellung von

Fructose-2,6-Bisphosphat katalysiert.

• Der zweite Teil des Enzyms ist die Fructose-2,6-Bisphosphatase, die ein Phosphat-Molekül

aus Fructose-2,6-Bisphosphat abspaltet, wodurch wieder Fructose-6-Phosphat entsteht.

Das bifunktionale Enzym und damit die Glycolyse von Leber und Muskulatur werden genau

entgegengesetzt reguliert. Dazu einfach zwei Beispiele:

Nehmen wir an, unser Körper befindet sich in Alarmbereitschaft oder im Hungerzustand. Im

Blut befinden sich dann die Hormone Adrenalin und Glukagon. Beide bewirken über einen

intrazellulären Ansteig von cAMP eine Phosphorylierung interkonvertierbarer Enzyme (diese

Enzyme werden in der Glycolyse durch Anhängen eines Phosphates inaktiviert), zu denen

auch das bifunktionale Enzym gehört. Wird dieses phosphoryliert, dann

- ist in der Leber der PFK-2-Teil inaktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase aktiv. Die

Glycolyse wird also gebremst. Da gleichzeitig über andere Enzyme die Gluconeogenese

Adrian Knispel - 7 - 21. März 2003


eschleunigt werden kann, kann die Leber also Glucose ins Blut zur Versorgung anderer

Organe abgeben.

- in der Muskulatur ist der PFK-2-Teil dagegen aktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase

inaktiv. Das entstehende Fructose-2,6-Bisphosphat beschleunigt somit die PFK-1-

Reaktion und so auch die Glycolyse. Gleichzeitig wird über andere Enzyme der

Glykogenabbau gefördert, wodurch die Muskulatur viel Energie gewinnt, die sie für ihre

Arbeit benötigt.

Nehmen wir nun an, der Körper befindet sich in einem gesättigtem Ruhezustand. Im Blut

befinden sich dann reichlich Glucose und Insulin, der intrazelluläre cAMP-Spiegel ist niedrig

und die interkonvertierbaren Enzyme liegen dephosphoryliert vor.

- in der Leber ist nun die PFK-2 aktiv, die Fruktose-2,6-Bisphosphatase dagegen inaktiv.

Die Glycolyse läuft also auf Hochtouren. Über andere Enzyme wird gleichzeitig die

Gluconeogenese gehemmt und die Glykogensynthese gefördert. Die Leber nimmt also die

überschüssige Glucose aus dem Blut auf, baut sie zu Energie ab und legt Glykogenvorräte

für schlechte Zeiten an.

- in der Muskulatur ist die PK-2 inaktiv und die Fructose-2,6-Bisphosphatase aktiv – die

Glycolyse wird gedrosselt und über andere Enzyme gleichzeitig die Glykogensynthese

gefördert. Die Muskulatur ruht also und legt Glykogenvorräte für aktivere Zeiten an.

Die gegenläufige Reaktion des bifunktionalen Enzyms ist also für die Koordination des

Organstoffwechsels durchaus sinnvoll.

Die hormonelle Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels durch Glucagon und Insulin ist

weniger für die Geschwindigkeit der Glycolyse zuständig als die allosterische Komponente,

sondern vielmehr für deren Aktivität überhaupt.

Glucagon wird bei einem niedrigen Blutglucosespiegel ausgeschüttet und erhöht den cAMP-

Spiegel in der Leber – alle Signale stehen also auf Hunger. Dies führt nun dazu, daß die

interkonvertierbaren Enzyme phosphoryliert und damit in der Glycolyse gehemmt werden,

wodurch der Glucoseabbau der Leber gedrosselt wird. Die Glucose kann somit in anderen

Organen, die die Glucose dringender benötigen, verstoffwechselt werden.

Insulin wird nach Nahrungsaufnahme ins Blut abgegeben und senkt den cAMP-Spiegel der

Leber und der Muskulatur. Die Glycolyseenzyme werden dephosphoryliert, der Glucoseabbau

in der Leber aktiviert und die Glycolyse in den Muskeln reduziert. Nach Nahrungsaufnahme

wird die überschüssige Glucose also in der Leber abgebaut und in Speicherstoffe (Glycogen)

umgewandelt. Der Muskel ruht dann auch meist und baut seine Glycogenvorräte wieder auf.

Auch die Gluconeogenese wird natürlich allosterisch und hormonell reguliert. Hier ist so z.B.

die Pyruvat-Carboxylase für den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt verantwortlich.

Außerdem fördern ATP und NADH/H + (Zeichen dafür, daß genügend Energie vorhanden ist)

die Gluconeogenese. ADP dagegen hemmt sie.

Fructose-2,6-Bisphosphat spielt auch bei der Gluconeogenese eine große Rolle. Allerdings hat

es hier einen genau gegenteiligen Effekt: Fructose-1,6-Bisphosphat wird durch dieses Enzym

allosterisch gehemmt, während ein Mangel davon einen niedrigen Blutglucosespiegel

anzeigt, wodurch die Fructose-1,6-Bisphosphatase aktiviert wird. Dieser Mangel wird in

erster Linie durch Glucagon verursacht.

Auch die hormonelle Regulation erfolgt gegensinnig zur Glycolyse. Glucagon sorgt über

eine Erhöhung des cAMP-Spiegels in der Leber für Phosphorylierung der

interkonvertierbaren Enzyme, wodurch die Pyruvatkinase inaktiv und somit die Glycolyse

gehemmt , die Gluconeogenese dagegen aktiv ist. Außerdem bewirkt Glucagon eine

Induktion aller Schlüsselenzyme der Gluconeogenese.

Insulin hemmt über eine Repression die Biosynthese der Schlüsselenzyme der

Gluconeogenese.

Adrian Knispel - 8 - 21. März 2003


Zusammenfassend möchte ich noch einmal die wichtigsten Möglichkeiten zur Regulation des

Stoffwechselgeschehens aufführen:

1. Der Stoffwechsel wird durch den Organismus gesteuert, der seine Wünsche den Zellen

über Hormone mitteilt.

2. Der Stoffwechsel wird innerhalb der Zelle über allosterische Effektoren reguliert, die

bestimmte Enzyme aktivieren oder deaktivieren.

Wichtig für Glycolyse und Gluconeogenese ist, daß beide Faktoren immer gemeinsam

wirken. Wird die Glycolyse gefördert, wird die Gluconeogenese außerdem gehemmt, was ja

auch Sinn macht. Dieser gegenläufige Effekt wird von ein- und demselben Enzym, einem

bifunktionalen Enzym, gesteuert.

Adrian Knispel - 9 - 21. März 2003

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine