Biochemie des Stoffwechsels - StV Biologie Salzburg

stvbio.oeh.salzburg.at

Biochemie des Stoffwechsels - StV Biologie Salzburg

Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Biochemie des Stoffwechsels

1. Einführung

Prinzip der Atmunskette

NADH überträgt das Hydridion (2 Elektronen, ein Proton) in Form von Elektronen auf den Sauerstoff. Die

Elektronen wandern dabei über Carrier. Schließlich erhält der Sauerstoff auch ein Proton und es

entsteht Wasser. Bei der Übertragung entsteht Energie, welche für ATP-Produktion verwendet wird.

NADH entsteht aus der Pyruvat-Spaltung und als Nebenprodukt des Citratzyklus.

� Aus Pyruvat und Fettsäuren entsteht Acetyl-CoA; die Umwandlung ist irreversibel

Funktionen von Multienzym-Komplexen

1. Energieaufnahme (Licht, Nahrung) → Katabolismus

2. Umwandlung in Zellmoleküle/Vorstufen → Intermediärstoffwechsel

3. Aufbau in Zellbestandteile → Anabolismus

4. Auf- und Abbau von Biomolekülen → Sekundärstoffwechsel

� Bei Stoffwechselprozessen entsteht nicht nutzbare Wärme

Prinzipien des Stoffwechsels

1. Große Reaktionsanzahl, wenig Reaktionstypen

2. Vergleichbare Regulationsarten

3. Ähnliche Art der Energiegewinnung und Erzeugung der Reaktionsäquivalenten

Notwendigkeit der Freien Enthalpie

1. Mechanische Arbeit (Muskelkontraktion)

2. Aktiver Transport innerhalb von Zellen

3. Makromolekül-Synthese

4. „Mitziehen“ endergonischer Reaktion durch Exergonische

└ wird das Produkt sofort entzogen, kann

� ∆G stammt aus der Umgebung (Nahrung, Licht)

negativ werden (∆G < 0)

� H + werden durch Membranen gepumpt (proton motive force) um Energie für ATP-Synthese zu

gewinnen

Energetik biochemischer Reaktionen

� Für spontanten Ablauf von Reaktionen ist ∆G, nicht ∆G°‘ wichtig

Universität Salzburg 1 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Regulation von Stoffwechselprozessen

1. Kontrolle der verfügbaren Enzymmenge

2. Kontrolle der Enzymaktivität (allosterische Kontrolle, kovalente Modifikation, Zymogene)

3. Variable Verfügbarkeit an Substrat

� AMPK wird bei Nährstoffmangel aktiviert und inhibiert ATP-verbrauchende Prozesse in Leber,

Pankreas, Muskel- und Fettgewebe

2. Glykolyse

2.1. Reaktionsschritte

1. α-D-Glukose → α-D-Glukose-6-Phosphat

Enzym: Hexokinase (Cofaktor: Mg 2+ )

� nur C6-Zucker kann phosphoryliert werden

� kann auch andere Zucker umwandeln

2. α-D-Glukose-6-Phosphat → α-D-Fruktose-6-Phosphat

Enzym: Glukosephosphat-Isomerase

� wird zur Pentose

3. α-D-Fruktose-6-Phosphat → α-D-Fruktose-1,6-Bisphosphat

Enzym: Phosphofructokinase-1 (Cofaktor: Mg 2+ )

4. α-D-Fruktose-1,6-Bisphosphat → Dihydroxyacetonphosphat, D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat

Enzym: Aldolase

� spaltet zwischen C3 und C4

5. Dihydroxyacetonphosphat → D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat

Enzym: Triosephosphat-Isomerase

6. D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat → 1,3-Bisphosphoglycerat

Enzym: Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase

7. 1,3-Bisphosphoglycerat → 3-Bisphosphoglycerat

Enzym: Phosphoglycerat-Kinase (Cofaktor: Mg 2+ )

8. 3-Bisphosphoglycerat → 2-Bisphosphoglycerat

Enzym: Phosphoglycerat-Mutase

9. 2-Bisphosphoglycerat → Phosphoenolpyruvat

Enzym: Enolase

10. Phosphoenolpyruvat → Pyruvat

Enzym: Pyruvatkinase (Cofaktor: Mg 2+ , K + )

Universität Salzburg 2 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

2.2. Besonderheiten

� Das Produkt von Reaktion 6 wird sofort verbraucht, wodurch der natürliche Logarithmus negativ

wird

� Pyruvat kann zu Laktat reduziert werden (NADH wird zu NAD + oxidiert); es handelt sich um die

Milchsäurefermentation. Bei der alkoholischen Fermentation wird das Pyruvat zu Acetaldehyd

und schließlich zu Ethanol reduziert

� Bei der Glykolyse reduziert die Lactat-Dehydrogenase das Pyruvat zu Laktat, wodurch die

reduzierte Äquivalente NADH wieder zu NAD + oxidiert und erneut verfügbar gemacht wird

� Glukose kann durch die Membran diffundieren, im Darm allerdings wird ein aktiver Transport

benötigt

� 2,3-BPG (Nebenprodukt Reaktion 7) senkt die Affinität von Hb zu O2 und ist wichtig für die

Höhenregulation. Es kann durch die 2,3-BPG-Phosphatase zu 3-BPG umgewandelt werden

2.3. Regulation

� PFK-1 ist pH-reguliert; sinkt der pH unter 7 wird die Aktivität vermindert (Laktat würde nur

weiter ansäuern)

� Pyruvatkinase ist nur dephosphoryliert effizient, abhängig von Faktoren wie Blutzuckerspiegel

oder Vorkommen von ATP, Acetyl-CoA oder F-1,6-BP.

2.4. Einschleusung glucoseähnlicher Kohlenhydrate

Polysaccharide wie Stärke oder Laktose werden in Monosaccharide aufgespalten und glykolysiert

� Fruktose wird im Fettgewebe/Muskel von der Hexokinase einfach phosphoryliert und trifft auf

eine Aldolase. Das Aldehyd erhält ein Phosphat, der Ketokörper wird durch eine Isomerase

umgewandelt. Endprodukte sind Glycerinaldehyd-3-Phosphat

� Galaktose erhält ein Phosphat und von einer Gal-1-P-Uridyltransferase ein UDP. UDP-Gal wird

durch eine Epimerase (wie Mutase) zu UDP-Glukose. Die Transferase entfernt das UDP und

hängt ein Pi an. G1P wird durch Mutase zu G6P

Verwendung von Intermediaten in anderen Stoffwechselwegen

� G6P → G1P → Glykogen

� G6P → Pentosephosphat → Nukleotide

� 1,3-BPG → 2,3-BPG

� PEP → aromatische Aminosäuren

� Pyruvat → Aspartat, Alanin

2.5. Zusätzliches

� Pyruvat-Kinase-Mangel: zu wenig ATP → Na/K-Pumpe beeinträchtigt führt zu

Gradientenausgleich (Erythrozyten haben keine Mitochondrien)

� Fruktose-Intoleranz: Aldolase kann F1P nicht abbauen, Anhäufung führt zu Leber- und

Nierenschäden

� Fructosurie: Frukto-Kinase-Mangel führt zur Steigerung des Fruktuse-Gehalts in Blut und Urin

Universität Salzburg 3 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

3. Regulation des Stoffwechsels

Organismen befinden sich in einem Fließgleichgewicht bis sich äußere Umstände ändern (z.B.

Sauerstoffmangel). Dann treten Regulationsmechanismen in Kraft, die wieder den Zustand der

Homöostase herbeiführen. Man unterscheidet hierbei zwei Reaktionstypen:

1. Substratbegrenzte

Enzymaktivität ist hoch genug, Substrat wird angeliefert und gleich umgesetzt. Enzym wandelt

Glukose in Fruktose um. Kommt nun allerdings ein Fruktose-Molekül zu dem Enzym, so wandelt

es dieses einfach in Glucose um

2. Enzymbegrenzte

Reaktionen sind vom Gleichgewicht entfernt; es handelt sich um exergonische Reaktionen die

Begleitenzyme für Konformationsänderungen benötigen

Mechanismen zur Regulation der Enzymaktivität

1. Allosterische Regulation

2. Hormonsignale (revers. Kovalente Modifikation)

3. Veränderung in Anzahl der Moleküle

4. Zymogene

Stoffwechselregulation am Beispiel von Glycolyse-Enzymen

Glycogen-Phosphorylase (in Muskel/Leber der Glykolyse vorgeschaltet)

� Muskel: hormonelle Aktivierung durch Adrenalin und cAMP, allosterische Aktivierung durch Ca 2+

und AMP

� Leber: hormonelle Aktivierung durch Glucagon (falls Glc.-Konz < 4-5 mM), allosterische

Inhibierung durch Glukose (Glukose-Sensor)

Hexikinase (in Säugetieren verschiedene Isoenzyme)

� Muskel: Enzym hat hohe Glc-Affinität, G6P ist allosterischer Inhibitor

� Leber: Glucokinase ist Sensor für Glc.-Konz im Blut (B-Zellen)

Phosphofructokinase-1

� ATP wirkt hemmend, AMP und ADP fördernd

� inhibierte PFK-1 führt zur Hexokinase-Inhibierung

� Citrat verstärkt ATP-Wirkung

� F-2,6-bisP fördert stark

Pyruvat-Kinase (in Säugetieren verschiedene Isoenzyme)

� ATP wirkt hemmend (durch Affinitätssenkung zu PEP)

� F-1,6-bisP aktiviert

� Leber-spez. Form durch reversible Phosphorylierung gedrosselt (bei niedrigem

Blutzuckerspiegel)

� Acetyl-CoA und langkettige Fettsäuren inhibieren

Universität Salzburg 4 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Glukosetransportproteine

Dabei handelt es sich um Transportproteine die Glukoseaufnahme und –abgabe ermöglichen. Sie

werden GLUT1 bis GLUT5 bezeichnet und bestehen aus circa 500 Aminosäurenreste. Am Motiv kann

Zucker binden, was zu einer Konformationsänderung in Form einer Einstülpung führt, um Glukose rein

oder raus zu transportieren.

1. GLUT1/GLUT3

Befinden sich in nahezu allen Zellen und stellen Grundversorgung sicher. Km-Wert liegt unterhalb

des normalen Serum-Spiegel, wodurch ein ständiger Transport ermöglicht wird.

2. GLUT2

Kommt in Leber, Schilddrüse und Hypothalamus vor und verfügt über einen hohen Km-Wert.

Eintrittsgeschwindigkeit von Glukose ist proportional zum BZS. Die Schilddrüse kann somit den

Spiegel messen und die Insulinsekretion anpassen. Bei geringem BZS wird die Glykolyse dor t

heruntergedrosselt, wo sie wenig gebraucht wird (z.B. Leber), damit sie dort, wo sie gebraucht

wird (z.B. Gehirn), einsatzfähig ist

3. GLUT4

Km entspricht dem BZS und vermittelt den Eintritt von Glukose in Muskel- und Fettzellen. Insulin

führt zu erhöhter Expression der GLUT4-Transportern

4. GLUT5

dabei handelt es sich tatsächlich um ein Fruktose-spezifisches Protein

5. Co-Transporter/Ionenkanal

Funktionieren wie Na/K-Pumpen, nur das ein anderer Stoff für den Antiport verwendet wird

(etwa Glukose). Beispiele: SGLT-1, SGLT-2 (Co-Transporter), SGLT-3 (Ionenkanal)

Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA

Pyruvat gelangt über das Pyruvat-Carrier System in die mitochondriale Matrix und wird dort nach

Decarboxylierung als Acetyl-CoA in den Citrat-Zyklus eingespeist. Die Umwandlung übernimmt der

Pyruvatdehydrogenase-Komplex.

1. Thiaminpyrophosphat (TPP) wird angehängt, wobei der Thiazolium-Ring als Elektronenfalle

wirkt. Die chemischen Bindungen werden polarisiert, was zur Dissoziation von CO2 führt

2. Die Bindung wird zur Acetylgruppe oxidiert und wird von Liponamid übernommen und es

entsteht eine energiereiche Thioesterbindung.

3. Die Disulfidbrücke des Thioesters wird reduziert und der Acetylrest wird auf Coenzym A

übertragen

Universität Salzburg 5 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Lactic acidosis

Laktatazidose entsteht bei einer PDH-Deffizienz. Das Pyruvat wird nicht oxidiert und sammelt sich im

Cytoplasma an. Bei der Umwandlung zu Laktat kommt es somit zur Ansäuerung im Blut, wobei die

Protonen durch Bicarbonat im Blut neutralisiert werden.

4. Citrat-Zyklus

4.1. Überblick

Acetyl-CoA gibt seine Acetylgruppe an Oxalacetat weiter und es entsteht Citrat. Dieses reagiert weiter zu

Isocitrat. Es kommt zur CO2-Abspaltung und α-Ketoglutarat entsteht. Eine weitere CO2-Abspaltung führt

zur Bildung von Succinat. Succinat wird in drei Reaktionsschritten zu Oxalacetat umgesetzt, welches für

einen weiteren Umlauf zur Verfügung steht.

In dieser 8-Schritte Reaktion sind vier davon Oxidationen, deren Energie in reduzierten Cofaktoren

(NADH, FADH2) konserviert wird. Neben der Energiegewinnung stehen Zwischenprodukte als

Biosynthesevorstufen zur Verfügung und verbrauchte Intermediate werden durch anaplerotische

Reaktionen wieder nachgeliefert.

4.2. Reaktionsschritte

Reaktion 1: Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA

Es wird kein ATP verbraucht. Der Methylgruppe wird ein Proton entzogen (sie wird basisch) und es wird

ein nukleophiler Angriff auf das Oxalacetat gestartet. Das Intermediat Citroyl-CoA wird hydratisiert,

wodurch die Schwefelbindung gelöst wird. Unter Abspaltung von CoA entsteht Citrat. Enzym: Pyruvat

Carboxylase

Reaktion 2: Umwandlung von Citrat in Isocitrat

Citrat ist ein tertiärer Alkohol und kann somit nicht oxidiert werden. Es erfolgt eine Umwandlung zu D-

Isocitrat, welcher ein sekundärer Alkohol ist. In Lösung kommen etwa 90% Citrat, 4% cis-Aconitate

(Intermediat) und 6% Isocitrat vor, allerdings zieht die nachfolgende exergonische Reaktion das

Gleichgewicht nach rechts (∆G°‘= +6,3 kJ/mol).

Reaktion 3: Oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat

Das NAD + -gebundene Enzym Isocitrat Dehydrogenase katalysiert das Isocitrat zu einem Keton, wobei die

Reduktionsäquivalente reduziert und CO2 abgegeben wird. Endprodukt ist α-Ketoglutarat. Diese

Reaktion ist wichtig, da hier das erste NADH entsteht.

Reaktion 4: Oxidative Decarboxylierung α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA

Die vierte Reaktion ist vergleichbar mit der Reaktion der Pyruvat Dehydrogenase. Der Ketokörper

unterläuft einer oxidativen Decarboxylierung, wodurch Succinyl-CoA, NADH und CO2 entstehen.

Succinyl-CoA ergibt zusammen mit Glycin die Bausteine für Häm-Gruppen.

Reaktion 5: Umwandlung des Succinyl-CoA in Succinat (unter GTP-Bildung)

Durch eine Synthetase wird die energiereiche Verbindung Succinyl-CoA aufgespalten, damit ATP bzw.

GTP aus ADP bzw. GDP geformt werden kann. Edukte sind daher der Metabolit, ein anorganisches

Phosphat und ein Nukleosiddiphosphat. Produkt ist Succinat, GTP und CoA werden abgespalten.

Universität Salzburg 6 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Reaktion 6: Oxidation von Succinat zu Fumarat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)

Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat und belädt die Reduktionsäquivalente E-FAD

mit 2 Elektronen (FADH2).

� Fumarat enthält trans-ständigen Wasserstoff, wäre er cis-ständig, würde es sich um Maleat

handeln

� Die gewonnen Elektronen werden in der inneren Mitochondrienmembran an Ubiquinon

übergeben (ein Fe-S-Komplex wird reduziert), welches sie an die Atmungskette weiterreicht.

Reaktion 7: Hydratisierung von Fumarat zu L-Malat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)

Die Doppelbindung wird durch Hydratisierung aufgespalten (verantwortlich ist die Fumarase) und es

entsteht L-Malat. Beim cis-Isomer Maleat zeigt sie allerdings keine Wirkung.

Reaktion 8: Oxidation von Malat zu Oxalacetat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)

Die Malat-Dehydrogenase katalysiert die Reaktion zu Oxalacetat. NAD + wird erneut mit Elektronen

beladen (endergonisch). Da das Oxalacetat sofort für die Citrat-Synthese (Reaktion 1 ist exergonisch)

entzogen wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Oxalacetat-Bildung. Der Citrat-Zyklus läuft

daher nur in eine Richtung ab.

4.3. Verwendung von Intermediaten in anderen Stoffwechselwegen

� Citrat → Fettsäuren

� α-Ketoglutarat → Aminosäuren, Purine

� Succinyl-CoA → Hämgruppen, Chlorophyll

� Oxalacetat → Aspartat, andere Aminosäuren, Purine, Pyrimidine

4.4 Pyruvat Carboxylase Defizienz

Eine genetische Erkrankung (Leigh disease), bei der die überlebenden Patienten retardiert sind. Im

Gehirn wird das Enzym in Astrocyten präsentiert, welche Zwischenprodukte des Citratzyklus für

Glutamin-Produktion verwenden. Dieser Pfad ist essentiell für das Überleben von Neuronen. Bei einer

Deffizienz können Zellen nun Pyruvat nicht oxidieren, da zu wenig Oxalacetat zur Verfügung steht und

die Leber Pyruvat nicht in Glukose umwandeln kann. Der Pyruvat-Überschuss wird in Laktat

umgewandelt, was zur Laktatazidose führt.

4.5. Regulation des Citrat-Zyklus

Regulation bei Vertebraten durch kovalente Modifikation: Kinase inaktiviert E1 bei ATP-Überschuss; bei

ATP-Mangel wird die komplementäre Phosphatase aktiviert.

1. Umwandlung Pyruvat → Acetyl-CoA

2. Eintritt von Acetyl-CoA in den Zyklus

3. Isocitrat → α-Ketoglutarat

4. α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA

Universität Salzburg 7 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

4.6. Weitere Regulation

Der Fluss der Metaboliten unterliegt einer genauen, aber nicht sehr komplexen Regulation. Die

Geschwindigkeit wird durch drei Faktoren bestimmt:

1. Substratangebot

2. Inhibition durch sich anreichende Produkte

3. Allosterische Rückkopplungshemmung (feedback inhibition)

Regulatorische Enzyme des Citrat-Zyklus(katalysieren stark exergonische Reaktionen)

� Citrat-Synthase (ATP hemmt durch Km-Erhöhung für Acetyl-CoA)

� Isocitrat-Dehydrogenase (ADP erniedrigt Km, Bindung von Isocitrat, NAD + , Mg 2+ und ADP erfolgt

kooperativ, NADH und ATP hemmen)

� α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (Hemmung durch Reaktionsprodukte, Succinyl-CoA, NADH)

Regulation des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes (PDC)

Durch die Phosphorylierung und Dephosphorylierung einer bestimmten Serin-Seitenkette wird die PDC

deaktiviert und aktiviert. Eine Kinase übernimmt das Deaktivieren der PDC, kann allerdings durch

verschiedene Faktoren inhibiert werden: sobald die PDC ihre Substrate bindet bzw. sobald sich ADP und

Pyruvat anhäufen, wird die Kinase abgeschalten. Eine Ca 2+ -abhängige Phosphatase entfernt das

Phosphat schließlich und aktiviert die PDC wieder. Aktiviert wird die Kinase sobald die PDC Acetyl-CoA

und NADH bindet.

Universität Salzburg 8 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

4.7. Leighs disease

Leighs disease ist eine vielseitige Erkrankung, die zu Laktatazidose führt. In einem Beispielfall hatte ein

Patient eine defekte E3 (Teil der PDC). Dies führt zu einer Defizienz bei der Pyruvat Dehydrogenase als

auch bei der α-Ketoglutarat Dehydrogenase. Da sich Pyruvat ansammelt (und dies zu Laktat umgesetzt

wird), kommt es infolge dessen zu einer Azidose.

4.8. Glyoxylat-Zyklus

Dieser Zyklus ist ein Werkzeug des Anabolismus. Er findet sich bei keimenden Samen von höheren

Pflanzen als auch bei Bakterien, die von Acetat als Kohlenstoffquelle leben. Ein wesentlicher Unterschied

zum Citrat-Zyklus ist das Auslassen der beiden Decarboxylierungsschritte.

5. Katabolischer Lipid-Stoffwechsel

Überblick

Wege von Triacylglycerin im Körper

� Fette aus Verdauung werden über Gallensäure-haltige Mizellen aufgenommen

� Aufspaltung in Monoglyceride für Transport in Dünndarmlumen

� Triacylglycerid-Resynthese und Aufnahme in Chylomikronen

� Transport über Lymphe und Blut, Aufspaltung im Blut durch Lipasen

� Bildung von Lipoproteinen für Bluttranspor in Lebert (VLDL)

� Speicherung im Fettgewebe

� Transport von Fettsäuren durch Albumin

� Verbrauch in Muskel, Leber und Herz

Universität Salzburg 9 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Lipoproteine

Lipoproteine steuern den Transport und die Verwertung von Lipiden. Ihre amphiphile Membran besteht

aus Cholesterinen und Phosphoglyceriden und werden von den Apoproteinen unterbrochen. Im Kern

befinden sich Cholesterinester und Triacylglycerine.

Chylomikronen

Sind für den Transport der in der Nahrung aufgenommenen Lipide an die Peripherie zuständig. Sie

wandern zu Endothelzellen und docken über die Apoproteine (Apo C-II) auf der Membran an

sogenannte Lipoprotein-Lipasen an, die ihrerseits wiederum über Proteoglykane an die

Endothelmembran gekoppelt sind. Die Lipasen werden aktiviert, die daraufhin die Triacylglycerine

hydrolysieren. Diese können nun aus den Chylomikronen heraus und in die Endothelzellen

hineindiffundieren.

Umwandlung von Triacylglycerin zu Acetyl-CoA

1. Hydrolyse von Triacylglycerinen

2. Aktivierung von Fettsäuren

3. Transport über die innere mitochondriale Membran

4. β-Oxidation

Universität Salzburg 10 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

1. Hydrolyse von Triacylglycerinen

Lipasen sind eine heterogene Enzymklasse, die in verschiedenen Kompartimenten in unterschiedlicher

Form vorkommen. In Adipocyten sind sie intrazellulär, im Gefäßsystem ans Endothel gebunden

(Lipoprotein-Lipasen) oder im Darmlumen als Pankreas-Lipasen. Die Lipasen hydrolysieren nun die

Triacylglycerine und spalten sie in Acylgruppen. Das Glycerin-Gerüst wird durch eine Kinase

phosphoryliert und anschließend durch eine Dehydrogenase oxidiert. Endprodukt ist

Dihydroxyacetonphosphat, welches für die Glykolyse bzw. Gluconeogenese verwendet werden kann.

2. Aktivierung von Fettsäuren

Die Acyl-Moleküle erhalten ein AMP, welches aus einer ATP-Spaltung hervorgeht (es entsteht dabei ein

Pyrophosphat); beteiligte Enzyme sind eine Thiokinase und eine Pyrophosphatase. Die Abspaltung des

AMPs sowie die Spaltung des Pyrophosphats in zwei einfache Phosphate erzeugt genug Energie um mit

Coenzym A verestert zu werden. Es entsteht Acyl-CoA.

3. Transport über die innere mitochondriale Membran

Coenzym A kann nicht durch die innere mitochondriale Membran diffundieren, weshalb eine Umladung

der Acylreste erfolgt. Die Reaktion wird durch eine Acylcarnitin-Transferase katalysiert und das Zielmolekül,

Carnitin, ist ein zwitterionisches Derivat einer Gamma-Aminosäure. Carnitin fungiert hier rein

als Übertragungsmolekül.

Das Acylcarnitin wird über ein Antiportsystem in die mitochondriale Matrix transportiert. Der

Transporter ist ein mtMembran-Protein mit dem Namen Acylcarnitin-Translokase und transportiert

parallel zum Acylcarnitin-Import das unbeladene Carnitin wieder in dem IMS (inter membrane space).

Die „Entladung“ übernimmt innerhalb des IMS ebenfalls eine Acylcarnitin-Transferase. Das Acyl-Molekül

erhält ein neues CoA und wandert weiter zur β-Oxidation.

4. β-Oxidation

Die β-Oxidation erfolgt in mehreren Reaktionsschritten und wird so lange durchlaufen, bis die

Fettsäuren vollständig in Acetylreste zerlegt werden.

� Acyl-CoA wird durch Acyl-CoA Dehydrogenase oxidiert und FAD + wird zu FADH2 reduziert

� das Intermediat erhält durch eine Hydratase eine OH-Gruppe

� eine Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert erneut und NAD + wird zu NADH reduziert

� im letzten Schritt fügt eine Thiolase einen weiteren CoA-Thioester an und es entstehen als

Produkte ein Acyl-CoA und ein Acetyl-CoA. Ersteres durchläuft den Zyklus erneut

Abbau von Palmitat

Palmitat ist ein Nebenprodukt des Stoffwechsels und wird in Acyetyl-CoA zerlegt. Es durchläuft

sechs mal die β-Oxidation, wobei jeweils ein Acetyl-CoA anfällt. In der finalen siebten Runde

entstehen zwei Acetyl-CoA’s.

Abbau von Acetoacetat

Entstehen durch Acetyl-CoA-Überangebot in der Leber und werden für Fastenzeit angereichtert.

Eine CoA-Transferase überführt Acetoacetat in Acetoacetyl-CoA, eine Thiolase generiert daraus mit

Hilfe eines zusätzlichen CoAs zwei Acetyl-CoAs. Die CoA-Transferase wird nicht in der Leber

exprimiert.

Universität Salzburg 11 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Zerebro-Hepato-renales Zellweger-Syndrom

Bei diesem Syndrom kommt es zum generalisierten Ausfall peroxisomaler Funktionen. Peroxisomen sind

ubiquitär und haben vielfältige Enzymfunktion für katabolische und anabolische Stoffwechselwege. So

werden zum Beispiel Stoffe wie Harnsäuren, Aminosäuren und sehr langkettige Fettsäuren oxidiert. Ein

Ausfall führt zu gravierenden Schädigungen.

α-Oxidation

Die α-Oxidation wird für den Abbau von Phytol verwendet. Dieses ist an Chlorophyll verzweigt und kann

von der β-Oxidation nicht oxidiert werden. Ein Ausfall der α-Oxidation äußert sich im Refsum’s disease,

eine schwere Lipidstoffwechselerkrankung.

ω-Oxidation

Fettsäuren können auch am Omega-Kohlenstoff (terminale Methylgruppe) oxidiert werden. Dies erfolgt

im ER und im Zusammenspiel mit Cytochrom P450. Die Methylgruppe wird zum Alkohol oxidiert und von

einer Dehydrogenase weiter zu einer Carbonsäure katalysiert. Die dabei entstehenden Dicarbonsäuren

können anschließend die β-Oxidation durchlaufen. Alle drei Formen der Oxidationen sind reguliert durch

Substrat-Angebot.

Allgemeines

� Fat depots enthalten kein Wasser und sind starke Elektronen-Akzeptoren

� Adipocyten werden bei Nahrungsmittelmangel lipolysiert

� FATP (fatty acid transport protein) ist amphiphil und transportiert durch Membranen

� Chylomikrone würden in engen Kapillaren stecken bleiben, allerdings tragen sie eine negativ

geladene Glykanschicht

� >C14-Fettsäuren müssen vor MT-Transport modifiziert werden

Universität Salzburg 12 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

6. Aminosäurenoxidation & Harnstoffproduktion

Überblick

� über die Nahrung aufgenommene AS können in Proteine eingebaut oder metabolisiert werden

� Hauptverteilungsorgan ist die Leber

� beim Abbau wird zuerst die α-Aminogruppe entfernt

� das C-Gerüst kann vielfältig eingesetzt werden (Acetyl-CoA, Acetoacetyl-CoA, Pyruvat, etc.)

dies stellt die Verbindung zum oxidativen Katabolismus (Citratzykl.), Gluconeogenese und

Fettsäuresynthese dar

Oxidativer Abbau findet statt

1. während Synthese und beim Abbau zellulärer Proteine

2. bei AS-Überschuss (AS werden nicht gespeichert) → Katabolismus

3. wenn nicht ausreichend Kohlenhydrate verbrannt werden (Nahrungsmangel, Krankheit)

Wichtige Aminotransferasen

� Aspartat-Aminotransferase (AST): katalysiert reversibel den Transfer von Asp auf α-Ketoglutarat

� Alanin-Aminotransferase (ALT): katalysiert den Transfer von Ala auf α-Ketoglutarat

� α-Ketoglutarat fungiert auch für andere Aminosäuren als Akzeptor und wird zu Glutamat

Wichtig: durch die Transaminase-Reaktion wird der Stickstoff der Aminosäure entfernt und in Form von

Glutamat (intrazellulär) bzw. Glutamin/Alanin (extrazellulär) konserviert. Dieses wird anschließend in

den Harnstoff abgegeben, damit es nicht mehr schädlich ist. Würde der Ammoniak ins Blut kommen,

würde er als Base fungieren und eine Alkalose auslösen. Weiters besteht die Möglichkeit zur

Umwandlung von Ammonium, was neurotoxisch ist.

Glutamin ist (neben Alanin) der wichtigste AS-Gruppen-Transporter und kommt deshalb auch in hohen

Konzentrationen im Blut vor. Neben dem Abtransport für den Katabolismus fungiert die AS auch als AS-

Gruppen-Versorger im Anabolismus sowie als pH-Puffer in der Niere. Bei der Beladung wird ATP

verbraucht. Glutamin ist neutral, ohne Nettoladung und permeiert leicht durch Membranen.

Das α-Ketoglutarat wird durch eine oxidative Desaminierungs-Reaktion durch die Glu-Dehydrogenase

(GDH) zurückgewonnen, wobei NAD(P) + zu NAD(P)H reduziert wird (es kann auch NAD + als Oxidans

verwendet werden).

Protein-Abbau

Wird durch Proteasen bewerkstelligt (auch Peptidasen, Hydrolasen). Sie spalten zwischen dem C- und

dem N-terminalen Ende zweier Aminosäuren. Man unterscheidet:

� Verdauungsenzyme (für Nahrungsproteine zuständig)

� Extrazelluläre Peptidasen (im Blut z.B. bei Gerinnung; Fibrinolyse)

� Intrazelluläre Peptidasen (in Kompartimenten wie ER, Golgi, Cytosol → Proteasom)

Universität Salzburg 13 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Abbauwege von Aminosäuren

Wie auch bei Kohlenhydrate und Fettsäuren, so endet auch der Abbau von Aminosäuren in den selben

Wegen des Stoffwechsels. Die C-Ketten der Aminosäuren werden im Citrat-Zyklus oxidiert und an die

Gluconeogenese weitergeleitet. Die α-Aminogruppe allerdings schlägt einen anderen Weg ein

(„biochemische Weggabelung“).

Die Aminogruppe wird auf unterschiedlichen Weg ausgeschieden:

� NH4 + (Fische, Amphibienlarven)

� Harnstoff (Landwirbeltiere)

� Harnsäure (Vögel, Reptilien)

Glucose-Alanin-Zyklus

Die Aminogruppe reagiert zusammen mit dem aus der Glykolyse gewonnenen Pyruvat zu Alanin,

welches zur Leber transportiert wird. Dort kann das Pyruvat für die Gluconeogenese verwendet werden

und das Glutamat wird in Form von Harnstoff ausgeschieden.

Harnstoffzyklus

Reaktion 1 (Enzym: Carbamoylphosphat-Synthetase I)

Um die Aminogruppe aufzufangen benötigt es einen Akzeptor. Dieser wird in Form von einem

phosphorylierten Hydrogencarbonats zur Verfügung gestellt. Das C/P-Anhydrid bindet das Ammonium

und es entsteht Carbamat. Eine weitere Phosphorylierung erzeugt das Endprodukt Carbamoyl-Phosphat.

Das Enzym wird durch N-Acetylglutamat allosterisch gebunden und somit aktiviert. Der Aktivator wird

bei stiegender Arginin-Konzentration synthetisiert (Indikator für starken Stoffumsatz im Harnstoff-

Zyklus).

� CPS II sitzt im Cytosol

Reaktion 2

Das Carbamoyl-Phosphat trifft auf ein das Molekül Ornithin und gibt diesem seine Aminogruppe.

Katalysiert wird die Reaktion von der Ornithin-Transcarbamoylase zu Citrullin. Dieses reagiert mit

Aspartat und ATP zu Argininosuccinat (Enzym: Argininosuccinat-Synthetase).

Reaktion 3

Das Argininosuccinat wird durch eine Arginino-Succinase zu Fumarat und Arginin aufgespaltet. Arginin

wird durch eine Arginase hydrolysiert und es entstehen Harnstoff und Ornithin.

Biosynthese von Kreatinphosphat

Kreatinphosphat wird aus Arginin und Glycin gewonnen. Dabei entsteht Ornithin, was für den Harnstoff-

Zyklus verwendet werden kann. Kreatinphosphat ist ein „high energy“-Speicher in Skelettmuskelzellen

und dient für Hochleistungssport. Kreatin zyklisiert spontan zu Kreatinin und wird bei der

Nierenfunktionstestung herangezogen.

Universität Salzburg 14 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Glucogene AS (schwarz), ketogene (rot), gemischt (blau)

7. Oxidative Phosphorylierung

Universität Salzburg 15 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Allgemeines

Bei chemischen Reaktionen kann Energie verbraucht oder frei werden. Im menschlichen Stoffwechsel

gehören die Redox-Reaktionen zu den wichtigsten Reaktionen. Dabei werden zwischen Reduktions- und

Oxidationsmittel Elektronen übertragen. Die Affinität zu Elektronen wird im Redoxpotential E0

angegeben. Dabei hat jedes Reagenz die höhere Elektronenaffinität, dessen Redoxpotential im Vergleich

zur H-Elektrode (E0 =0) positiver ist.

Das Redox-Potential ist abhängig von der Konzentration (Nernst Gleichung).

Elektronen-Carrier (Atmungskette)

� NAD + : Reduktionsäquivalente

� FAD: Flavoproteine

� Ubiquinon (Coenzym Q): lipophil,

Zwischencarrier

� Cytochrom: eisenhaltige Elektronentransporter

mit Porphyrin-Ring

� Fe-S Proteine: gute Donoren, niedriges Redox-Potential

� in der Atmungskette gibt es zwei treibende Kräfte: die Reduktionskraft der Reduktionsäquivalenten

und die Oxidationskraft des Sauerstoffs

Bestandteile der Atmungskette

1. Komplex I: NADH → UQ

2. Komplex II: Succinat → UQ

3. Komplex III: UQ → Cyt c

4. Komplex IV: Cyt c → O2

5. Komplex V: ATP-Synthase

� Beim Verlust zu seinen anderen Komplexen wird Komplex 5 zu einer ATPase.

Ubiquinon

Ist ein Elektronenüberträger zwischen Komplex 1 bzw. Komplex 2 auf Komplex 3. Bei der Übertragung

werden in zwei Schritten jeweils ein Elektron und ein Proton übertragen, wobei zwischen Edukt und

Produkt (Ubichinol) das Intermediat-Radikal Semichinon entsteht.

Cytochrome

Erhalten ihre Elektronen von Komplex 3 und übergeben sie in Komplex 4 auf den Sauerstoff. Man

unterscheidet die Cytochrome A, B und C, wobei jedes vier fünfgliedrige N-Ringe enthält, die eine

zyklische Struktur bilden. Die Ringe konzentrieren sich um ein zentrales Eisen-Atom (Fe 2+ oder Fe 3+ ). Eine

Variante, das Eisen-Protoporphyrin IX kommt in Cytochrom b, Hämo- und Myoglobin vor.

Eisen-Schwefel-Zentrum

In der einfachsten Form wird das zentrale Eisenatom von jeweils einem Schwefel von vier Cysteinen

gehalten. In komplexeren Formen finden sich mehr Eisen- und Schwefel-Atome im Zentrum.

Universität Salzburg 16 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Komplex I (NADH-Ubiquinon-Oxidoreduktase)

Hier werden 2 Elektronen von NADH auf FMN übertragen. Die Elektronen werden über Fe-S-Zentren an

das eisenhaltige Protein N-2 übertragen, welches im Matrixarm liegt. N-2 überträgt die Elektronen auf

Ubiquinon (UQ), welches zu Ubiquinol (UQH2) reduziert wird. Dieses kann dann durch die

Lipiddoppelschicht diffundieren.

Komplex II (Diverse)

� NADH → FAD → FeS → UQ FAD: FMN

� Succinat → FAD → FeS → UQ FAD: ?

� Glycerin-3-phosphat → FAD → UQ FAD: Glyc-3-phosphat-Dehydrogenase

� Fettsäureacyl-CoA → FAD → Fe-S → UQ FAD: ETF

Komplex III (Cytochrom c–Oxidoreduktase)

Der funktionelle Kern besteht aus Cytochrom b (zwei Hämgruppen), Rieske-Fe-S-Protein und Cytochrom

c (eine Hämgruppe). Komplex III hat zwei Bindungsstellen für UQH2, welche auch Targets bei der

Inhibierung sind (z.B. Antimycin A). Das ankommenden UQH2 gibt ein Elektron ab und reduziert dabei

Cytochrom c (zwei H + werden in den Membranraum abgegeben). Das verbleibende Elektron reduziert

das mitochondrialmatrix-seitige UQ zu UQH2 (zwei Protonen werden aufgenommen).

Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase)

Zwei Moleküle vom reduzierten Cytochrom c geben jeweils ein Elektron an das zweikernige Zentrum CuA

ab. Die Elektronen fließen durch Häm a zum Fe-Cu-Zentrum. Nun bindet Sauerstoff an Häm a und wird

durch das Zentrum reduziert (O2 2- ). Zwei weitere Elektronen vom Cytochrom c und 4 Protonen erzeugen

dann zwei Wassermoleküle.

� Bei der Atmungskette werden kontinuierlich Protonen in den Intermembranraum abgegeben;

die dadurch entstehenden Gradienten werden im chemiosmotischen Modell beschrieben. Da

Ionen durch Membranen nicht einfach diffundieren können, gleichen Protonenpumpen die

Gradienten aus. Da im Intermembranraum eine höhere Protonenkonzentration vorkommt, kann

die Energie für ATP-Synthese (Komplex V) verwendet werden

� Chemiosmotisch: Innenseite ist alkalisch und negativ geladen

Universität Salzburg 17 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Komplex V (F0F1-ATP-Synthase)

Eine Protonenpumpe die in der inneren Membran des Mitochondriums sitzt und Protonen entlang des

Gradienten in die mtMatrix transportiert. Die freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP

verwendet; die Protonen werden für die Atmungskette benötigt. Das F0-Segment ist membranständig ,

das F1-Segment mit seinen komplexen Untereinheiten sitzt in der Matrix. Pro ATP-Synthese wird ein

Proton benötigt.

Die Edukte ADP und Pi (in Form von H2PO4 - ) werden über Translokasen in die Matrix transportiert; das

synthetisierte ATP nutzt die Antiport-Funktion der Adeninnucleotid-Translokase um in den Intermembranraum

zu gelangen. Das Phosphat wird zusammen mit H + transportiert (Symport).

Wie gelangen die Elektronen zu den Komplexen?

Im IMS gibt NADH zwei Elektronen an Oxalacetat ab, welches zu Malat reduziert wird. Über einen

Transporter wandert Malat in die Matrix. Es wird zu Oxalacetat oxidiert; die Elektronen wandern auf

NAD + , welches sie an die Atmungskette weiterreicht. Das verbleibende Oxalacetat wird zu Aspartat

transaminiert und über einen Transporter zurück in den IMS gebracht, wo es recycelt wird.

Allgemeines

Gifte

� braunes Fettgewebe exprimieren das Protein Thermogenin, welches als Entkopplungs-Protein

bezeichnet wird. Es ermöglicht den Protonen auf alternativem Weg in die mtMatrix zu gelangen

und die dabei entstehende Energie wird in Wärme umgewandelt

� Weitere Entkoppler: DNP, FCCP (hydrophobe Protonen-Carrier)

� Cytochrom-Oxidasen-Hemmer: Cynid, Kohlenmonoxid

� ATP-Synthese-Hemmer: Oligomycin, Venturicidin

8. Biotransformation

Hierbei handelt es sich um Oxidations- und Konjugationsreaktionen, bei denen hydrophobe Substrate

(Xenobiotica und endogene Metabolite) wasserlöslich gemacht werden, wodurch ihre Ausscheidung

über Galle oder Niere vereinfacht wird. Dies findet hauptsächlich in der Leber, vereinzelt aber auch in

Lunge, Haut, Darm-Mucosa und Nieren statt. Auf zellulärer Ebene sind das glatte ER, das Cytosol und die

Mitochondrien beteiligt.

Ausgeschieden wird in der Regel renal (Niere) oder biliär (Galle).

Universität Salzburg 18 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Neben der Erhöhung der Löslichkeit möchte die Biotransformation Metabolite auch inaktivieren, damit

diese schnell und komplikationslos ausgeschieden werden können. Dies wird durch zwei

Reaktionsphasen bewerkstelligt:

Substrate

Phase 1

Hier haben wir den lipophilen, biologisch-aktiven Metabolit. Es erfolgt eine Oxidation, eine

Hydrolyse und eine Reduktion. Ziel durch diese Modifikation ist es, störende Seitenketten zu

entfernen und reaktive Stellen zu neutralisieren (durch Anlagern von OH-Gruppen).

Phase 2

Als Edukt steht das Phase-1-Produkt zur Verfügung. Es erfolgen Konjugationsreaktionen,

wodurch polare Seitenketten angehängt werden, welche die Löslichkeit erhöhen. Anschließend

wird über Galle oder Niere ausgeschieden.

1. Körpereigene Stoffe

� Bilirubin (Abbauprodukt der Hämgruppen)

� Sterioidhormone

� Gallensäuren

2. Xenobiotica

� Prodrugs: Medikamente, die erst durch die Biotransformation aktiv werden

� Giftung: das Analogon für giftige Stoffe

� unter „präsystemische Elimination“ versteht man den Wirkungsverlust von Pharmaka während

ihrer Passage durch die Leber

Phase 1 im Detail

Universität Salzburg 19 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Cytochrom P450 (CYP) sind ubiquitäre enzymatische Hämproteine, deren Hauptaufgabe die Oxidation

körpereigener und –fremder Stoffe zuteil fällt. Die meisten CYPs arbeiten als Monooxygenasen (siehe

obere Grafik). Vier Stickstoffatome formen einen Protoporphyrin IX mit einem zentralen Fe 3+ -Atom.

CYPs sind eine Enzymklasse, von denen etwa 60 verschiedene Formen im menschlichen Organismus

nachgewiesen worden sind. Diese Isoformen unterscheiden sich oft in ihrer Substratspezifität. Ihre

höchste Konzentration findet sich in der Leber und die am häufigsten vertretene Isoform ist CYP 3A4.

Die Expression wird durch Ansammlung von Substraten induziert, was einen wichtigen Mechanismus bei

der Toleranz gegenüber Gifte und Arzneimittel darstellt. Dies ist auch die Ursache, warum Menschen

unterschiedlich auf Xenobiotica reagieren → genetische oder epigenetische Unterschiede bei der

Expression.

Die CYPs sind über hydrophobe Seitenkeiten mit der ER- bzw. teilweise auch mit der mitochondrialen

Membran assoziiert, wobei das aktive Zentrum scheinbar in Richtung Cytosol orientiert ist.

Reaktionsprinzip der Oxidation

Wie beim Hämoglobin wird hier das Fe 3+ zu Fe 2+ reduziert und kann somit O2 binden. Während

ein Sauerstoff-Atom mit dem Substrat reagiert, bindet das andere Atom zwei Protonen und

Wasser entsteht. Die Elektronen werden von der CYP450-Reduktase zur Verfügung gestellt (aus

NADPH).

Reaktionsprinzip der Hydrolyse

Es erfolgt eine hydrolytische Spaltung von Estern und Amiden, damit neue funktionelle Gruppen

entstehen und diese somit angegriffen werden können. Beispiel stellt das Aspirin

(Acetylsalicylsäure) dar, welches durch Wassereinlagerung seine Acetyl-Gruppe verliert.

Reaktionsprinzip der Methylierung

Wie auch beim Gene-Silencing kommt auch bei der Biotransformation die Methylierung vor. Da

Methylgruppen allerdings relativ apolar sind, steht hier die Inaktivierung und nicht die

Löslichkeit im Vordergrund (z.B. Noradrenalin).

Universität Salzburg 20 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Mikrosomales ethanoloxidierendes System (MEOS)

Bei chronischen Alkoholikern wird dieser alternative Weg eingeschlagen, wodurch der

Alkoholabbau um 10% gesteigert wird. Der Alkohol wird direkt mit Sauerstoff oxidiert und erhält

seine Elektronen von NADPH/H + .

Phase II

Modifizierte Metaboliten aus Phase I bzw. Stoffe, die nicht modifiziert werden mussten, durchlaufen

nun Phase 2, in der sie eine Konjugationsreaktion unterzogen werden. Es werden negativ geladene,

stark polare Gruppen angehängt. Eine der häufigsten Reaktionen ist die Glucuronidierung, bei der

Glucuronsäure angehängt wird. Beteiligte Enzyme sind Glucuronosyltransferasen im ER.

UDP-Glucuronosyltransferasen

� etwa 20 Isoformen

� hängen aktivierte Glucuronsäure an funktionelle Gruppen (Hydroxy-, Carboxy-, Aminogruppen)

� Substrat-Beispiele: Bilirubin, Sterioidhormone, Gallensäure, fettlösliche Vitamine

� UGTs spielen eine zentrale Rolle bei der Entgiftung und Elimination dieser Substanzen

� in Leber der höchste Gehalt

Sulfatierung

� Alternative zur Glucuronidierung

� Transferase überträgt Sulfatgruppe (PAPS als Donor)

� Enzyme befinden sich im Cytosol

Aminosäuren-Konjugation

� Weitere Alternative

� an Substrate (Gallensäuren) werden Taurin, Glycin oder Glutamin gekoppelt

� die AS bindet über ihre Aminogruppe an die zuvor aktivierte Carboxylgruppe des Substrates

� Glutathion

o für viele Medikamente ein Entgiftungsweg (Tripeptid, bestehend aus Glutamat, Cystein und

Glycin)

o dient als Oxidationsmittel in Erythrozyten und kann extraribosomal unter ATP-Verbrauch

synthetisiert werden

o Reaktion durch Glutathion-S-Transferasen; höchste Konzentration in Leber, zellulär im

Cytosol

o Konjugation dient als physiologischer Schutz gegen elektrophile Metaboliten

9. Aufbau und Biosynthese von Nukleotiden

Vorkommen

� Nucleinsäuren, Energieträger ATP und GTP

� Cofaktoren (NAD, FAD, CoA)

� Sekundäre Botenstoffe (cAMP, cGMP)

� Signlafunktionen (z.B. Adenylylierungen von Proteinen)

Synthese

1. De novo Synthese aus AS, Ribosephosphaten, CO2 und NH3

2. Recyclingwege („salvage pathways“)

Universität Salzburg 21 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

1. de-novo Synthese

Unterschied zwischen Purinen und Pyrimidinen

Purine werden so erzeugt, dass bis auf Glycin lauter Einzelatome an Ribose angehängt werden.

Pyrimidine wiederum werden als Orotat synthetisiert, an Ribose gebunden und dann

umgewandelt. In der Synthese wird Asparaginsäure verwendet.

� Gemeinsam haben sie die Vorstufe PRPP (Phospho-Ribosyl-Pyrophosphat)

� NH2-Donoren sind Glutamin und Aspartat

� bei Synthese sind große Enzymkomplexe beteiligt

� Menge an freien Nucleotiden ist gering, daher muss Synthese ständig laufen

Purin-Synthese für AMP/GMP

Ausgangsstoff für die Endprodukte ist Inosinat. Dieses wird über mehrere Reaktionsschritte

erzeugt, wobei Enzymkomplexe mehrere nicht aufeinander-folgende Reaktionen katalysieren.

Endprodukt ist ein Inosinat. Abhängig davon, ob AMP oder GMP syntetisiert werden soll,

werden unterschiedliche Richtungen eingeschlagen.

AMP-Weg: Asparaginsäure wird als Aminogruppendonor verwendet. GTP versorgt die

Transaminierungsreaktion mit Energie. Es entsteht Adenylsuccinat. Die Seitenkette wird in Form

von Fumarat abgespalten und der Stickstoff bleibt am Ring.

GMP-Weg: eine OH-Gruppe wird an den Ring angefügt und anschließend oxidiert (Elektronen

stammen von NAD + ). Unter ATP-Verbrauch wird dann der Sauerstoff durch Glutamin

substituiert.

Pyrmidin-Synthese

Ausgangsstoff ist Carbamoyl-Phosphat, welches mit Aspartat verbunden wird. Unter

Wasserabspaltung kommt es zum Ringschluss. Ein Enzym oxidiert das Intermediat zu Orotat.

Anschließend wird unter Energieverbrauch der Zucker angehängt. Nach Abspaltung eines

Kohlendioxids haben wir nun UMP. Dieses kann nun zu UTP phosphoryliert werden und durch

Oxidation zu CTP umgebaut werden. Endprodukt CTP ist ein allosterischer Inhibitor für die

Enzyme die anfänglich arbeiten.

Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotide (irreversibel!)

Reduktion erfolgt am C2 der D-Ribose. Die Substrate sind Ribonucleosiddiphosphate.

Zwischenprodukte sind radikal. Enzym: Ribonucleotid-Reduktase.

Thymidylat-Synthese 1

CDP wird durch die Reduktase zu dCDP und durch eine Kinase zu dCTP. Eine Desaminase

wandelt es zu dUTP um. Die Phosphase werden entfernt. Eine Thymidylat-Synthase macht aus

dem dUMP ein dTMP. Bei UDP als Edukt werden die selben Schritte, mit Ausnahme der

Desaminse-Reaktion durchgeführt. Die Methyl-Gruppe des Thymins kommt von Methylen-

Tetrahydrofolat, welches zu 7,8-Dihydrofolat wird (Regeneration durch Dihydrofolat-Reduktase).

Universität Salzburg 22 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

2. Recyclingwege

Vitamin B12

Purine Salvage Pathways

Aus Ribonucleotiden werden Desoxyribonucleotide (irreversibel). Die meisten de novo

Synthesen erfolgen in der Leber, vereinzelt aber auch im Gehirn oder Neutrophilen. In der Leber

werden die Nukleotide zu Nukleoside konvertiert (Verlust der Phosphatgruppe) und können

über RBC in andere Gewebe gelangen. Dadurch können sie für verschiedene Zwecke, etwa RNA-

oder DNA-Synthese verwendet werden.

Pyrimidine Salvage Pathways

Pyrimidine werden durch zwei Reaktionsschritte geformt. Im ersten Schritt kommt eine relativ

unspezifische Nukleosid-Phosphorylase zum Einsatz und aus einer freien Pyrimidin-Base wird ein

Nukleosid mit einer Phosphatgruppe. Nun kommt eine spezifische Nukleosid-Kinase zum

Einsatz, die durch Phosphorylierung ein Nukleotid formt. Weitere Phosphorylierungen erfordern

– wie auch bei Purinen – weit spezifischere Kinasen.

Die Pyrimidin-Phosphorylasen haben bestimmte Vorlieben: Uracil und Cytosine werden

bevorzugt, während ihre Thymin-Affinität relativ niedrig ist. Thymine werden durch Thymin-

Phosphorylasen an die Desoxyribosen angehängt. Eine weiteres wichtiges Enzym ist die

Thymidin-Kinase, welche mit Zell-Proliferation in Verbindung gebracht wird. In der S-Phase

steigt ihre Aktivität immens. Gehemmt wird sie allosterisch durch dTTP.

B12 wird über die Nahrung aufgenommen und bindet im Magen an sogenannte R-binders (Haptocorrins).

Gebunden wandert es durch die Innereien, bis es die Pankreas passiert. Die Schilddrüse sezerniert

Proteasen, die den R-binder abbauen. Das freie B12 wird vom intrinsic factor IF gebunden und zum Ileum

transportiert. Über Transcobalamin-Proteine gelangt es dann zur Leber, wo 50% gespeichert werden.

Der Vorrat hält für 3 bis 6 Jahre, bevor Symptome auftreten. B12 hat zwei Funktionen im Körper: den

Transfer von Methylgruppen auf Homocystein und das Rearrangement einer Methylgruppe um Succinyl-

CoA zu bilden.

SAM (S-Adenosylmethionin)

Ein weiterer wichtiger Methylgruppen-Donor. Es wird aus Methionin und ATP synthetisiert. Wie auch bei

B12 kommt das Adenin vom ATP. SAM ist wichtig für die Aktivierung bzw. Inaktivierung vieler Stoffe im

Körper (etwa35 Reaktionen).

Universität Salzburg 23 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Chemotherapeutische Agentien

Zytostatika stören Stoffwechselvorgänge, die in Zusammenhang mit Zellproliferation stehen. Schnell

wachsende Zellen sind daher besonders beeinträchtigt. Da Tumorzellen hier sehr sensibel reagieren,

sind sie Targets für eine Therapie.

Antimetabolite werden als falsche Basen in die DNA/RNA eingebaut und verhindern somit eine korrekte

Zellteilung und funktionierenden Stoffwechsel. Nebenwirkungen sind Übelkeit, Anämie und

Nierenschäden. Viele Krebsarten (solid und liquid) werden mit Antimetabolite behandelt.

� Folsäureantagonist: Methotrexat

� Pyrimidin-Analoga: Capecitabin

� Purin-Analoga: 6-Thioguanin

Abbau von Pyrimidinen

Ausgangspunkt ist Thymin. Eine Dehydrogenase reduziert es zum Intermediat Dihydrothymin.

Wassereinlagerung löst die Ringstruktur auf. Eine weitere Wassereinlagerung entfernt einen NH4 + und

HCO3 - . Eine Aminotransferase entfernt den verbleibenden N-Terminus und es entsteht Methylmalonylsemialdehyd.

Abbau von Purinen

AMP wird in Adenosin umgewandelt. Eine Desaminase entfernt eine Aminogruppe und wir haben den

Ausgangsstoff Inosin. Der Zucker wird entfernt und wir erhalten Hypoxanthin. Eine Oxidase oxidiert das

Hypoxanthin zu Xenthin. Xenthin ist auch ein Zwischenprodukt beim Abbau von GMP. Guanosin verliert

durch eine Desaminase eine Aminogruppe und es entsteht Xenthin. Xenthin wird nun oxidiert und

Harnsäure entsteht.

� ein Nebenprodukt beim Abbau ist Urat, was mit Urin ausgeschieden wird. Bei neutralem pH ist

Na-Urat die vorherrschende Form, welche besser löslich ist als Harnsäure. Ist die

Serumkonzentration zu hoch, herrscht Hyperurikämie oder Gicht.

� Na-Urat Kristalle greifen Gelenke und Nieren an

Hyperurikämie

� Primäre Hyperurikämie: Störung der Harnsäureausscheidung, selten erhöhte Harnsäurebildung

� Sekundäre Hyperurikämie: vermehrter Harnsäureanfall, verminderte Harnsäureausscheidung

Universität Salzburg 24 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

10. Gluconeogenese und Aminosäurensynthese

Gluconeogenese

Die Gluconeogenese ist ein Prozess in der Leber, bei dem aus Pyruvat wieder Glukose hergestellt wird.

Die Zuckerversorgung täglich kommt aus drei unterschiedlichen Orten:

� Nahrung

� Glycogen

� Gluconeogenese

Während bei den Stoßzeiten (Früh, Mittag, Abend) die Nahrung als Zuckerspender fungiert, so greifen

die anderen beiden, etwa in der Nacht, ein, um das Blut mit Zucker zu versorgen.

Tiere sind dazu in der Lage, Pyruvat in Phosphoenol-Pyruvat umzuwandeln. Dieses kann schließlich in

verschiedene Zucker-Moleküle wie Glycogen, Stärke oder Disaccharide weiterkatalysiert werden.

Pflanzen und photosynthetisch-aktive Bakterien können aus CO2-Fixierung auch Zucker machen.

In der Gluconeogenese findet in den Mitochondrien dazu eine Umgehungsreaktion statt. Pyruvat wird

unter Energieverbrauch carboxyliert und es entsteht Oxalacetat. Durch Reduktion entsteht Malat.

Außerhalb der Membran wird wieder zu Oxalacetat oxidiert. Unter Abspaltung von CO2 und einem

Phosphat von GTP entsteht nun Phosphoenol-Pyruvat.

Gluconeogenese im Detail

Die Carboxylierung wird durch das Enzym Pyruvat-Carboxylase betrieben. Die Carboxyl-Gruppe

stammt von N-Carboxybiotin, was für die Reaktion essentiell ist. Das entstandene Oxalacetat

wird nun durch die Malat-Dehydrogenase reduziert (Oxalacetat kann nicht durch die

mtMembran diffundieren!). Durch einen Antiporter wird das Malat aus der Matrix transportiert.

Im Cytosol wird anschließend wieder oxidiert.

Die PEP-Carboxykinase entfernt die das CO2 wieder unter Verbrauch von Energie (GTP → GDP).

Produkt ist Phosphoenol-Pyruvat.

Das Phosphoenol-Pyruvat wird nun in die umgedrehte Glykolyse eingeschleust und geht den

exakt selben Weg, den Glukose in Richtung Pyruvat gehen würde, nur eben umgekehrt (eine

Ausnahme stellt die Umwandlung zu Fructose-6-Phosphat dar). Im letzten Schritt haben wir

Glucose-6-Phosphat. In der ER-Membran sitzt die G6-Phosphatase, die das C6-Phosphat

entfernt. Dabei wird das G6P in das Lumen aufgenommen. Zusammen mit dem Pi verlässt die

Glukose das ER und verlässt die Zelle über GLUT2.

Precursors der Gluconeogenese

Laktat, Alanin und andere Aminosäuren können zu Pyruvat umgewandelt werden. Propionyl-CoA kann

über Intermediate (z.B. Succinyl-CoA) direkt zu Oxalacetat werden. Aber manche Stoffe steigen erst viel

später ein: Glycerol wird phosphoryliert und zu Dihydroxyacetonphosphat, dem Spaltprodukt der

Aldolase in der Glykolyse.

� Weitere Aminosäuren: Cystein, Glycin, Serin, Tryptophan, Methionin, Valin etc.

� Leucin und Lysin können keinen Kohlenstoff bereitstellen!

Universität Salzburg 25 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Geradkettige Fettsäuren

Bei ihrem Abbau entsteht kein Oxalacetat und sie tragen somit nicht zur Gluconeogenese bei. Die

Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA katalysiert, wobei für jeweils zwei Kohlenstoffatome zwei Kohlendioxide

abgegeben werden. Jene sind wichtig für die Carboxylierung des Pyruvats. Grundsätzlich

entsteht bei ihrer Oxidation allerdings enorm viel Energie (NADH, ATP, GTP).

Glycerin-Verwertung

Glycerin bleibt zurück, nachdem Triacylglycerine in Richtung Acetyl-CoA oxidiert werden. Durch eine

Kinase entsteht Glycerin-3-Phosphat, welches wiederum durch eine Dehydrogenase zu dem oben

genannten Zwischenprodukt Dihydroxyacetonphosphat wird.

Der Cori-Zyklus

Die Gluconeogenese findet in der Leber statt. Dies ist ein „Ausgleichsakt“, um die metabolische Last

aufzuteilen. Glucose wird in Muskeln glykolysiert und es wird Pyruvat gewonnen. Da recht schnell

sauerstoffarme Zustände bei Muskelarbeit erreicht werden, wird aus dem Pyruvat Laktat. In der Leber

wird das Laktat dann wieder in Pyruvat umgewandelt. Über den Cori-Zyklus sind auch die Glykogen-

Reserven in Muskel und Leber miteinander verbunden.

Wichtig: in älteren Lehrbüchern findet man immer wieder Aussagen, dass im Zuge von

Muskelarbeit Laktat entsteht und das dieses eine Laktat-Acidose auslöst. Die Acidose wiederum

schädigt die Muskel, was mit Leistungsverringerung assoziiert wurde. Tatsächlich hält das Laktat

allerdings die Acidose zurück, da bei seiner Bildung zwei Protonen aufgenommen werden. Die

Acidose bei Muskelarbeit entsteht unter anderem durch hohe Mengen von ATP-

Hydrolysierungen, bei denen jeweils ein Proton abgespalten wird.

Universität Salzburg 26 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Biosynthese von Aminosäuren

� wir synthetisieren ca. 300g/Tag

� nicht-essentielle AS werden als Zwischenprodukt des ox. Katabolismus hergestellt

� Bestandteile: H, O, N, C, S, Se

� Das C-Gerüst stammt aus Glykolyse, Citratzyklus und Pentosephosphatweg

� Es gibt 6 biosynthetische Familien:

Biosynthese von Aminosäurederivaten

� Synthese von Phospholipiden (z.B. Phosphatidylserin)

� Intrazelluläre Botenstoffe (z.B. NO)

� Energieträger (z.B. Kreatinphosphat)

� synaptische Erregung (z.B. Glycin, Glutamat)

� Precursors für biogene Amine (Hormone, Neurotransmitter)

Beispiele für Syntheseprodukte

� Glycin → Porphyrin-Ring in Hämoglobin

� Tyrosin → Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin (in der selben Reihenfolge)

� Glutamat → GABA (γ-Aminobutyrat)

� Histidin → Histamin

� Tryptophan → Serotonin

Universität Salzburg 27 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

11. Biosynthese von Lipiden

Aufgabe der Lipide

� Energiespeicher (Triglyceride)

� Zellmembran

� Pigmente (Retinal, Carotin)

� Cofaktoren (z.B. Vitamin K)

� Detergenzien (Gallensalze)

� Hormone (Vitamin D-Derivate, Sexualhormone)

� Botenstoffe (Eicosanoide)

� Anker in Lipidmembranen (Phosphatidylinositol)

� Elektronen-Carrier

� Signaltransduktion

Fettsäuresynthese

Acetyl-CoA, welches aus Pyruvat und anderen Substanzen gewonnen wird, kann vielfältig modifiziert

werden und in unterschiedliche Endprodukte umgewandelt werden. Durch den Citrat-Zyklus wird es zu

Citrat, was es ihm ermöglicht, das Mitochondrium zu verlassen. Im Cytosol kann es dann weiterverwendet

werden.

Im ersten Schritt wird es zu Malonyl-CoA umgewandelt. Katalysiert wird die Reaktion durch die Acetyl-

CoA-Carboxylase. Dieses Enzym besteht aus drei Untereinheiten, der Biotin-Carboxylase, der Transcarboxylase

und dem Biotin-Carrier-Protein. Die Biotin-Carboxylase aktiviert CO2, in dem sie es an einen

Stickstoff des Biotinrings anhängt. Das Biotin ist vom Carrier-Protein im Zentrum gebunden. Die CO2-

Aktivierung ermöglicht der Transcarboxylase es auf ein ankommendes Acetyl-CoA zu übertragen. Es

entsteht Malonyl-CoA.

Regulation

Sinkt der Gehalt von AMP oder Palmityl-CoA an, so phosphoryliert eine Kinase die Carboxylase in

einen inaktiven Zustand. Sinkt der Glucagon oder Adrenalin-Gehalt wiederum, bzw. steigt

Insulin, so wird die Carboxylase durch eine Phosphatase wieder aktiviert.

Es erfolgt eine Verlängerung von Fettsäuren, wobei die Reaktion von einer Fettsäure-Synthase

katalysiert wird. Die Synthase hat mit zwei Schwefeln jeweils eine Bindungsstelle für Fettsäuren. Am

längeren Ast bindet das synthetisierte Malonyl-CoA und am kürzen Ast bindet eine Acylgruppe. Die

Acylgruppe soll verlängert werden, weshalb die erste bindende Acylgruppe eigentlich eine Acetylgruppe

ist. Unter Abspaltung von CO2 (Donor ist die Malonylgruppe) werden Malonyl und Acetylgruppe

zusammenkondensiert. Die Acylgruppe hat somit zwei weitere Kohlenstoffatome (Anmerkung: bei

ungeradkettigen Fettsäuren würden Kohlendioxide für die Pyruvat-Carboxylierung anfallen!).

Es gilt nun, die Doppelbindung zu entfernen. Es erfolgt die erste Reduktion, wobei der Ketonkörper zum

Alkohol wird. Eine Dehydratisierung entfernt die OH-Gruppe und hinterlässt eine Doppelbindung

zwischen zwei C-Atomen. Eine weitere Reduktion entfernt auch diese und hinterlässt ein gesättigtes

Kohlenstoffgerüst. Das CoA wird im Übrigen anfangs von einer Transferase entfernt. Die Schritte werden

nun solange wiederholt (es binden stets neue Malonyl-CoAs) bis das Produkt, C16-Fettsäure Palmitat

entsteht.

Universität Salzburg 28 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Fettsäure-Synthase im Detail

Der riesige Enzymkomplex besteht neben seinen beiden Schwefel-Bindungsstellen aus 5

anderen (in Summe also 7) Untereinheiten:

� Transacylase: entfernt das Coenzym-A

� ACP (Acyl-Carrier-Protein): bindet Malonyl-CoA

� CE (Condensing Enzyme): kondensiert Malonyl und Acetyl

� Ketoacyl-Reduktase: reduziert das Keton zum Alkohol

� Dehydratase: entfernt die OH-Gruppe

� Enoyl-Reduktase: entfernt die verbleibende Doppelbindung

� Thioesterase: für die Veresterung verantwortlich

Bei den zwei Reduktionen werden die Elektronen von den Reduktionsäquivalenten NADPH

geliefert

NADPH-Synthese

Die Reduktionsäquivalente NADPH ist ein Derivat des NADs. Allgemein kann man sagen, dass NAD für

Redox-Reaktionen des Anabolismus (z.B. Glykolyse aber auch Gluconeogenese) verwendet wird und

NADP für katabolische Prozesse, wie eben die Fettsäuresynthese. Es kann über zwei Wege mit

Elektronen beladen werden. Im ersten Weg nimmt NADP + das durch die Oxidation abfallende Proton bei

der Reaktion von Pyruvat zu Malat auf und es wird zu NADPH. Der andere Weg ist der

Pentosephosphatweg, bei der Glucose-6-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat umgewandelt wird. Hier

entstehen zwei Moleküle NADPH.

Allgemeine Punkte zur Wiederholung

� Malonyl-CoA kann in Mitochondrien, Peroxisomen und Cytosol entstehen

� Neben seiner Funktion als Intermediat fungiert Malonyl-CoA auch als allosterischer Inhibitor

Speicherung von Triacylglycerin (zwei Wege)

Die Fettsäuren werden in dieser Form in Adipocyten gespeichert. Wichtig ist, dass die drei Fettsäuren

unterschiedlich sind. Gebundene Fettsäuren verlieren ihre polare Carboxylgruppe. Die Fettsäure ist

daher schlecht löslich, da keine Polarität mehr herrscht. Das ist der Grund, warum sie in Adipocyten

gespeichert werden.

In den meisten Fällen fallen auf zwei gesättigte Fettsäuren eine ungesättigte Fettsäure, damit

wenigstens ein Bisschen Hydratisierungspotential herrscht. Drei gesättigte FAs wären so zäh wie Wachs,

während mehr als eine ungesättigte FA ein zu flüssiges TAG produzieren würde.

1. Umwandlung von Fettsäuren im Cytoplasma

Spielt die wesentlich größere Rolle. Fettsäuren kommen in Lipoproteinen in der Ernährung vor.

Diese können aber aufgrund ihrer Größe nicht durch die Kapillaren diffundieren. Die Adipocyten,

die auf die TAGs angewiesen sind, setzen deshalb Lipoprotein Lipasen ein (Enzymaktivität wird

durch Insulin stimuliert). Diese werden ans Endothelgewebe abgegeben, wo sie die LPs

hydrolysieren. Durch Diffusion gelangen die Fettsäuren nun durch die Kapillaren zu den an

Albumin-gebundenen Adipocyten.

Universität Salzburg 29 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Die Fettsäuren werden im inneren der Adipocyten zu TAGs verestert. Zuerst erhalten sie ein

CoA. Anschließend wird das Intermediat an Glycerol-3-Phosphat (entsteht aus einem Glykolyse-

Zwischenprodukt) verestert.

Die Lipasen werden, wie schon erwähnt, durch Insulin „aktiviert“. Die Aktivierung ist allerdings

nicht auf enzymatischer sondern auf genetischer Ebene; Insulin erhöht die Genexpression der

Enzyme. Daher ist die Anpassung ein längerer Prozess (3 bis 4 Stunden).

2. de novo Lipogenese (Fettsäuresynthese; siehe oben)

Die Lipogenese wird ebenfalls vom Insulin stimuliert. Es werden Fettsäuren produziert, die

schließlich in Adipocyten wandern. Hier wird dann zu TAGs verestert.

Gewebshormone

Prostaglandine gehören zu den Eicosanoiden (Gewebshormone) und entstehen als Derivate der

Arachidonsäure. Aus der Fettsäure kann über eine Prostaglandin-Synthase Prostaglandin entstehen.

Anschließend kann u.a. zu Prostacyclin oder Thromboxan differenziert werden. Eicosanoide sind

wichtige Entzündungs- und Schmerzmediatoren. Prostaglandine greifen in Signalwege ein, spielen in

Muskelkontraktur und Schlaf/Wach-Zyklus eine Rolle. Thromboxane sind für die Blutgerinnung wichtig.

Leukotriene bewirken Hyperreaktivität der Lunge (wichtig bei z.B. Asthma).

� ω-3-Fettsäuren steigern die Synthese von Eicosanoiden

Essentielle Fettsäuren

Essentielle Fettsäuren sind Fettsäuren mit Doppelbindungen. Doppelbindungen bis zum C9-Atom

können bei Säugern selbst vorgenommen, alle anderen müssen über die Nahrung aufgenommen

werden. Ein Beispiel für eine nicht-essentielle Fettsäure mit Doppelbindung ist Oleyl-CoA. Diese FA

entsteht durch den Einbau einer Doppelbindung durch eine Desaturase.

Beispiele für essentielle Fettsäuren sind Linol- und α-Linolensäure (auch als Linolat und Linolenat

bezeichnet). Dabei handelt es sich um Derivate der Stearin-Säure (18:0). Linol-Säure (18:2) gehört zu den

ω-6-Fettsäuren, was aussagt, dass vom ω-Ende die erste Doppelbindung ab 6. Kohlenstoff eingebaut

wurde. Die α-Linolensäure (18:3) gehört zu den ω-3-Fettsäuren. Beide haben einen tieferen

Schmelzpunkt als die Stearinsäure, da Doppelbindungen die London-Kräfte abschwächen.

Therapeutische Einsatzgebiete

Erkrankung Effekte

Arthritis Verbesserung der Gelenkbeschwerden

Psoriasis Rückgang des Juckreizes und Hautveränderungen

Morbus Crohn Verbesserung der Gesamtsymptomatik

Kardiovaskuläre Erkrankungen Antiarrhytmische Effekte, Verbesserung des Blutflusses

Universität Salzburg 30 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

cis und trans Fettsäuren

Ob Transfette ausschließlich negativ sind, ist nicht zweifelsfrei geklärt, allerdings ist bekannt, dass sie

eine Reihe von negativen Eigenschaften aufweisen:

� sie werden langsamer abgebaut als cis-Fette

� reichern sich im Fettgewebe an

� werden in Zellmembranen eingebaut

� blockieren Enzyme und stören den Stoffwechsel der essentiellen Fettsäuren

� verschlimmern Insulinresistenz (Diabetes-Risiko)

� verschlechtern LDL zu HDL-Verhältnisse (Arteriosklerose-Risiko)

� erhöhen Lysophosphatidat (Arteriosklerose-Risiko)

� gehen in Muttermilch und stören die Entwicklung

Cholesterin

Cholesterin ist ein wichtiges Membranlipid (neben Glycerophospholipiden und Sphingolipiden). Es

handelt sich um ein Sterol mit 4 Ringen und 27 C-Atomen. Eine OH-Gruppe bildet den hydrophilen

Anteil. Es ist Ausgangsstoff für eine Reihe von Steroidhormonen (z.B. Cortisol) und Gallensalzen (z.B.

Taurocholsäure). Steroide sind Sterolderivate.

Cholesterin wirkt sich auf die Fluidität der Membran aus und bei lokalen Anhäufungen werden komplexe

Prozesse wie Signaltransduktionen vereinfacht. Zusammen mit Proteinen und Sphingolipiden bilden

Cholesterine sogenannte lipid rafts, die unter anderem die Fluidität der Membran koordinieren.

Synthese

Die Synthese umfasst drei Kompartimente der Zelle. Im Cytosol werden zwei Acetyl-CoA

gebunden und von einer ER-membranständigen Reduktase zu Mevalonat umgewandelt. Über

ein Transportprotein wird das Intermediat in die Peroxisomen importiert. Durch mehrere

Reaktionsschritte entsteht hier Farnesyl-Pyrophosphat. Es folgt ein Transport zum ER, wo

weitere Reaktionen statt finden. Schließlich entsteht die C30-Einheit Squalen. Dies wird

weitersynthetisiert zu Cholesterin.

Statine fungieren als Inhibitoren der Cholesterin-Synthese. Sie hemmen die HMG-CoA-

Reduktase am ER.

Universität Salzburg 31 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

12. Koordination des Stoffwechsels in Säugetieren

Grundstrategien des Metabolismus (Wiederholung)

ATP

� universelle Energiewährung

� hohes Gruppenübertragungspotential

� kann thermodynamisch ungünstige Reaktionen günstiger werden lassen

� wichtiger allosterischer Effektor

� entsteht aus Oxidation von Brennstoffmolekülen (Glukose, Fettsäuren, Aminosäuren)

� Glykolyse liefert nur zwei ATPs

NADPH

� Reduktionsäquivalente

� Wichtigster Elektronen-Donor bei reduktiven Biosynthesen

Strategien der Stoffwechselregulation

Allosterische Wechselwirkungen und kovalente Bindungen

Unter Allostere bezeichnet man die Bindung von Cofaktoren, die nicht das Substrat sind, die allerdings

die Enzymfunktion aktivieren oder verstärken. Sie sind meist bei irreversiblen Reaktionen anzutreffen

(z.B. PFK-1 bei Glykolyse). Kovalente Bindungen: Phosphorylierung, Adenylierung, Methylierung

Kompartimentierung

Verschiedene biologische Prozesse finden sich in verschiedenen zellulären Kompartimenten:

� Mitochondriale Matrix: β-Oxidation, TCA, oxidative Phosphorylierung

� ER: Lipidsynthese, Biotransformation, AS-Oxidation, Steroidabbau, Proteinbiosynthese

� Cytosol: Glycolyse, Pentosephosphatweg, Fettsäuresynthese

� Peroxisomen: Fettsäureabbau, Gallensäuresynthese

� Harnstoffzyklus und Gluconeogenese werden auf mehrere Kompartimente verteilt

Universität Salzburg 32 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Schlüsselenzyme für das Zusammenspiel verschiedener Stoffwechselwege

� Glykolyse: die Phosphofructokinase wird durch die hohen Mengen anfallendem Citrat und ATP

gehemmt, was bedeutet, dass bei aeroben Bedingungen weniger Kohlenstoff verbraucht wird

(Pasteur-Effekt)

� Pentosephosphatweg: das Substrat ist Glucose-6-Phosphat. Bei wenig glykolytischer Aktivität

gibt es daher wenig Substrat. G6P ist ein Knotenpunkt zwischen Glucose und Pyruvat

(Glykolyse), Glykogen (Glykogensynthese) und Ribose-5-phosphat (Pentosephosphatweg).

� Fettsäuresynthese: ACC wird durch Citrat aktiviert und durch Palmityl-CoA gehemmt

Knotenpunkte

Wie schon erwähnt, so ist Glucose-6-Phosphat ein wichtiger Knotenpunkt. Wird es in Richtung Glykolyse

verwendet, entsteht Pyruvat, ein weiterer wichtiger Knotenpunkt. Das Pyruvat kann in Laktat (Brücke

zum Cori-Zyklus) oder Alanin (AS-Stoffwechsel) umgewandelt werden. Bei der Umformung zu Oxalacetat

wird es für die Gluconeogenese eingesetzt. Oder aber es wird zu Acetyl-CoA, ein weiterer wichtiger

Knotenpunkt.

Acetyl-CoA kann in Richtung Cholesterin wandern oder im Citrat-Zyklus zu Fettsäuren umgewandelt

werden. Die Fettsäuren können durch die β-Oxidation aktiviert werden und wiederum als aktiviertes

Acetyl-CoA in Richtung Ketonkörper wandern.

Metabolische Wechselbeziehungen zwischen Organen

Universität Salzburg 33 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Die Stoffwechselprofile von Gehirn, Muskulatur, Fettgewebe und Leber

Gehirn

Mit Ausnahme von langen Hungerperioden verfügt das Gehirn über eine einzige Brennstoffquelle*,

nämlich die Glucose. Aus diesem Grund muss es ständig versorgt werden (120 g täglich, wovon 60%

allein im Gehirn verbraucht werden). Nähert sich der Glucosespiegel dem KM-Wert der Hexokinase an,

wird die Glykolyse verlangsamt.

* 2003 erschien eine Arbeit bezüglich Gehirnforschung. Die Forscher sagen aus, dass im Gehirn

20% der Energie durch die Oxidation von Fettsäuren stammt. Die Fettsäuren durchqueren die

Blut/Hirn-Schranke über das Transportprotein Albumin.

Im Hungerzustand ersetzen Ketonkörper teilweise die Glukose als Energielieferant. Acetoacetat erhält

von Succinyl-CoA das Coenzym-A und wird von einer Thiolase in zwei Moleküle Acetyl-CoA aufgespalten.

Muskulatur

Die wichtigsten Brennstoffe sind Glukose, Fettsäuren und Ketonkörper. Im Gegensatz zum Gehirn sind

Muskeln in der Lage, Glukose in Form von Glykogen zu speichern. Drei Viertel des gesamten Vorrats an

Glykogen finden sich in der Muskulatur. Weder Gehirn noch Muskel verfügen über die Glucose-6-

Phosphatase, daher findet hier keine Gluconeogenese statt. Die Glykolyse im aktiven Muskel ist

erheblich schneller als der Citratzyklus. Das angesammelte Pyruvat kann daher nicht rechtzeitig in

Acetyl-CoA verstoffwechselt werden und wird daher zu Laktat reduziert. Dieses kann entweder über den

Cori-Zyklus zur Leber transportiert werden oder über slow-twitch fibers zu Pyruvat reoxidiert werden.

Durch die Transminierung von Pyruvat entsteht auch Alanin. Dieses wird ebenfalls zur Leber

transportiert (Cori-Zyklus).

Im ruhenden Muskel werden hauptsächlich die Fettsäuren verbrannt. Die Ketokörper werden den

Fettsäuren allerdings vorgezogen.

PEPCK-C mus Maus

Hierbei handelt es sich um eine transgene Maus, bei der die Aktivität der Phosphoenolpyrovat-

Carboxykinase erhöht wurde. Das Resultat ist länger anhaltende Fertilität und höhere Leistung in

körperlicher Aktivität. Die Zellen verfügen über mehr Mitochondrien, wodurch der Stoffwechsel

enorm erhöht wird.

Fettgewebe

Die in Adipocyten gespeicherten TAGs sind enorme Energievorräte. Die Zellen sind auf die FA-

Veresterung bzw. Freisetzung von FAs aus TAGs spezialisiert. Die Leber ist der Hauptort der Fettsäuresynthese,

wobei die wichtigste Aufgabe die Aktivierung der Fettsäuren darstellt. Glycerin-3-

Phosphat stammt aus der Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat und wird für die Lagerung der

Fettsäuren benötigt. Da Fettzellen nicht die notwendige Kinase exprimieren können, beziehen sie ihr

Glycerin aus der Glykolyse.

Über Lipasen werden die Triacylglyceride hydrolysiert, wobei die nicht mehr benötigten Glycerin-

Gerüste an die Leber abgegeben werden.

Universität Salzburg 34 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Glyceroneogenese

Bei diesem Vorgang wird 3-Glycerolphosphat durch eine verkürzte Gluconeogenese synthetisiert. Dieser

Weg findet sich in weißem und braunem Fettgebe und in der Leber. Die Glyceroneogenese ist

Voraussetzung für das Recycling der Fettsäuren, die bei der Lipolyse frei werden. Für die Geschwindigkeit

der Umsetzung ist die schon vorher erwähnte cytosolisch-angesiedelte PEPCK-C zuständig.

Wo findet sie statt?

Die Glyceroneogenese kommt im weißen und im braunen Fettgewebe als auch in der Leber vor.

In letzterer werden etwa 40% der aufgenommenen Fettsäuren zu Ketonkörper verarbeitet. Die

restlichen 60% werden zu Triglyceriden verestert, in VLDL-Proteine verpackt und an die

Peripherie weitergereicht. Die Leber spielt daher in diesem Triglycerid/Fettsäure-Zyklus (TG-FA

cycle) eine entscheidende Rolle. Auch im Dünndarm findet die Glyceroneogenese statt.

Wann findet sie statt?

Grundsätzlich findet sie nach ausreichender Nahrungszufuhr, vereinzelt aber auch bei

Hungergefühl statt. Nach einer Mahlzeit gibt es eine intensive Triglyceridsynthese unter

Verwendung des aus der Glykolyse-stammenden 3-P-Glycerols. Der Prozess wird durch

Insulinausschüttung induziert. Da der TG-FA-Zyklus kontinuierlich laufen muss und veresterte

Fettsäuren als Treibstoff benötigt, findet die Glyceroneogenese auch beim Hungerzustand statt.

Leber

Die Leber trägt eine sehr wichtige Rolle, da die meisten resorbierten Stoffe aus der Verdauung zuerst

über die Leber wandern. Diese kontrolliert daher die Menge an Metaboliten, die in den Blutkreislauf

abgegeben werden. Sie kann große Mengen von Glukose aufnehmen und als Glykogen speichern. Eine

Mobilisierung des Glykogenvorrats ermöglicht, dass das Blut mit Brennstoff versorgt wird.

Weiters kontrolliert die Leber den Lipidstoffwechsel. Sind reichlich Brennstoffe vorhanden, synthetisiert

die Leber Fettsäuren, verestert sie und gibt sie in Form von VLDL (very low density lipoprotein) an das

Blut ab. Bei Hunger werden werden die Fettsäuren stattdessen in Ketonkörper verwandelt.

Die Eigenversorgung kommt durch den Abbauprodukten der Aminosäuren: Ketosäuren. Die Glykolyse

selbst dient in erster Linie zur Gewinnung von Knotenpunkten (siehe oben). CoA-gebundene Substanzen

werden auch eher weitergereicht, da die Leber über wenige CoA-Transferasen verfügt.

Universität Salzburg 35 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Hormone als Regulatoren des Energiestoffwechsels

Viele Stoffwechselprozesse werden durch Hormone gesteuert. Die wichtigsten Vertreter sind Insulin,

Glucagon und Adrenalin. Insulin wird ausgeschüttet, wenn der Blutzuckerspiegel steigt (nach

Nahrungsaufnahme), während Glucagon ausgeschüttet wird, wenn der BZS sinkt. Ausgeschüttetes

Insulin bewirkt im Muskel eine gesteigerte Glykolyse; der Zucker muss verbraucht werden. Glucagon

wiederum induziert die Gluconeogenese in der Leber; der Körper braucht neuen Treibstoff.

Adrenalin

In Stresssituationen ausgeschüttet, hat Adrenalin eine entscheidende Wirkung auf die Muskulatur und

Leber. Es gehört zu den Katecholaminen und hat eine ähnliche Wirkung wie Glucagon; die Leber gibt

mehr Glucose ab und die Glykolyse im Muskel wird heruntergedrosselt. Sie werden vom Nebennierenmark

ausgeschieden, wenn der Blutzuckerspiegel sinkt (Hypoglykämie). Wie auch Glucagon

stimulieren sie die Glykogen- und TAG-Mobilisierung durch Auslösen einer cAMP-Signalkaskade. Im

Gegensatz zum Glucagon haben sie eine größere Wirkung im Muskel als in der Leber.

Regulation des Blutglucose-Spiegels

Vor Mahlzeiten liegt der Blutzuckerspiegel meist bei 80 mg/100 ml, nach Mahlzeiten bei 120 mg/100 ml.

Trotz der großen Schwankungen wird er relativ konstant gehalten. Dies ist auf drei Faktoren

zurückzuführen:

1. Mobilisierung von Glykogen und Freisetzung von Glukose durch die Leber

2. Freisetzung von Fettsäuren im Fettgewebe

3. Muskel und Leber verwenden Fettsäuren statt Glukose als Brennstoff

Universität Salzburg 36 / 37


Zusammenfassung: Biochemie des Stoffwechsels August 2012

Anpassungen des Stoffwechsels an lange Hungerperioden

Die Kohlenstoffreserven sind bereits nach einem Tag Fasten erschöpft, jedoch ermöglichen die in

Adipocyten gespeicherten Energiedepots das Überleben einer monatelangen Hungerperiode. Die

wichtigste Stoffwechselumstellung kommt nach drei Tagen, wenn die Leber große Mengen von

Acetoacetat und 3-Hydroxybutyrat ansammelt. Der TCA kann nicht alle Acetyleinheiten oxidieren, die

durch den Fettsäureabbau entstehen. Durch die Gluconeogenese kommt es zum Oxalacetat-Mangel. Die

Leber wirkt dem entgegen, in dem sie Ketonkörper produziert. Diese versorgen das Gehirn und das Herz.

Nach mehreren Wochen des Hungers benötigt das Gehirn dann weniger Glukose. Da bei Nahrungsmangel

Muskelprotein abgebaut wird, muss auch hier eine Mengenregulation greifen; nach mehreren

Wochen werden nur mehr 20g pro Tag benötigt.

Universität Salzburg 37 / 37

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine