Biochemie des Stoffwechsels - StV Biologie Salzburg
Biochemie des Stoffwechsels - StV Biologie Salzburg
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Zusammenfassung: <strong>Biochemie</strong> <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong> August 2012<br />
<strong>Biochemie</strong> <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong><br />
1. Einführung<br />
Prinzip der Atmunskette<br />
NADH überträgt das Hydridion (2 Elektronen, ein Proton) in Form von Elektronen auf den Sauerstoff. Die<br />
Elektronen wandern dabei über Carrier. Schließlich erhält der Sauerstoff auch ein Proton und es<br />
entsteht Wasser. Bei der Übertragung entsteht Energie, welche für ATP-Produktion verwendet wird.<br />
NADH entsteht aus der Pyruvat-Spaltung und als Nebenprodukt <strong>des</strong> Citratzyklus.<br />
� Aus Pyruvat und Fettsäuren entsteht Acetyl-CoA; die Umwandlung ist irreversibel<br />
Funktionen von Multienzym-Komplexen<br />
1. Energieaufnahme (Licht, Nahrung) → Katabolismus<br />
2. Umwandlung in Zellmoleküle/Vorstufen → Intermediärstoffwechsel<br />
3. Aufbau in Zellbestandteile → Anabolismus<br />
4. Auf- und Abbau von Biomolekülen → Sekundärstoffwechsel<br />
� Bei Stoffwechselprozessen entsteht nicht nutzbare Wärme<br />
Prinzipien <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong><br />
1. Große Reaktionsanzahl, wenig Reaktionstypen<br />
2. Vergleichbare Regulationsarten<br />
3. Ähnliche Art der Energiegewinnung und Erzeugung der Reaktionsäquivalenten<br />
Notwendigkeit der Freien Enthalpie<br />
1. Mechanische Arbeit (Muskelkontraktion)<br />
2. Aktiver Transport innerhalb von Zellen<br />
3. Makromolekül-Synthese<br />
4. „Mitziehen“ endergonischer Reaktion durch Exergonische<br />
└ wird das Produkt sofort entzogen, kann<br />
� ∆G stammt aus der Umgebung (Nahrung, Licht)<br />
negativ werden (∆G < 0)<br />
� H + werden durch Membranen gepumpt (proton motive force) um Energie für ATP-Synthese zu<br />
gewinnen<br />
Energetik biochemischer Reaktionen<br />
� Für spontanten Ablauf von Reaktionen ist ∆G, nicht ∆G°‘ wichtig<br />
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Regulation von Stoffwechselprozessen<br />
1. Kontrolle der verfügbaren Enzymmenge<br />
2. Kontrolle der Enzymaktivität (allosterische Kontrolle, kovalente Modifikation, Zymogene)<br />
3. Variable Verfügbarkeit an Substrat<br />
� AMPK wird bei Nährstoffmangel aktiviert und inhibiert ATP-verbrauchende Prozesse in Leber,<br />
Pankreas, Muskel- und Fettgewebe<br />
2. Glykolyse<br />
2.1. Reaktionsschritte<br />
1. α-D-Glukose → α-D-Glukose-6-Phosphat<br />
Enzym: Hexokinase (Cofaktor: Mg 2+ )<br />
� nur C6-Zucker kann phosphoryliert werden<br />
� kann auch andere Zucker umwandeln<br />
2. α-D-Glukose-6-Phosphat → α-D-Fruktose-6-Phosphat<br />
Enzym: Glukosephosphat-Isomerase<br />
� wird zur Pentose<br />
3. α-D-Fruktose-6-Phosphat → α-D-Fruktose-1,6-Bisphosphat<br />
Enzym: Phosphofructokinase-1 (Cofaktor: Mg 2+ )<br />
4. α-D-Fruktose-1,6-Bisphosphat → Dihydroxyacetonphosphat, D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat<br />
Enzym: Aldolase<br />
� spaltet zwischen C3 und C4<br />
5. Dihydroxyacetonphosphat → D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat<br />
Enzym: Triosephosphat-Isomerase<br />
6. D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat → 1,3-Bisphosphoglycerat<br />
Enzym: Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase<br />
7. 1,3-Bisphosphoglycerat → 3-Bisphosphoglycerat<br />
Enzym: Phosphoglycerat-Kinase (Cofaktor: Mg 2+ )<br />
8. 3-Bisphosphoglycerat → 2-Bisphosphoglycerat<br />
Enzym: Phosphoglycerat-Mutase<br />
9. 2-Bisphosphoglycerat → Phosphoenolpyruvat<br />
Enzym: Enolase<br />
10. Phosphoenolpyruvat → Pyruvat<br />
Enzym: Pyruvatkinase (Cofaktor: Mg 2+ , K + )<br />
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2.2. Besonderheiten<br />
� Das Produkt von Reaktion 6 wird sofort verbraucht, wodurch der natürliche Logarithmus negativ<br />
wird<br />
� Pyruvat kann zu Laktat reduziert werden (NADH wird zu NAD + oxidiert); es handelt sich um die<br />
Milchsäurefermentation. Bei der alkoholischen Fermentation wird das Pyruvat zu Acetaldehyd<br />
und schließlich zu Ethanol reduziert<br />
� Bei der Glykolyse reduziert die Lactat-Dehydrogenase das Pyruvat zu Laktat, wodurch die<br />
reduzierte Äquivalente NADH wieder zu NAD + oxidiert und erneut verfügbar gemacht wird<br />
� Glukose kann durch die Membran diffundieren, im Darm allerdings wird ein aktiver Transport<br />
benötigt<br />
� 2,3-BPG (Nebenprodukt Reaktion 7) senkt die Affinität von Hb zu O2 und ist wichtig für die<br />
Höhenregulation. Es kann durch die 2,3-BPG-Phosphatase zu 3-BPG umgewandelt werden<br />
2.3. Regulation<br />
� PFK-1 ist pH-reguliert; sinkt der pH unter 7 wird die Aktivität vermindert (Laktat würde nur<br />
weiter ansäuern)<br />
� Pyruvatkinase ist nur dephosphoryliert effizient, abhängig von Faktoren wie Blutzuckerspiegel<br />
oder Vorkommen von ATP, Acetyl-CoA oder F-1,6-BP.<br />
2.4. Einschleusung glucoseähnlicher Kohlenhydrate<br />
Polysaccharide wie Stärke oder Laktose werden in Monosaccharide aufgespalten und glykolysiert<br />
� Fruktose wird im Fettgewebe/Muskel von der Hexokinase einfach phosphoryliert und trifft auf<br />
eine Aldolase. Das Aldehyd erhält ein Phosphat, der Ketokörper wird durch eine Isomerase<br />
umgewandelt. Endprodukte sind Glycerinaldehyd-3-Phosphat<br />
� Galaktose erhält ein Phosphat und von einer Gal-1-P-Uridyltransferase ein UDP. UDP-Gal wird<br />
durch eine Epimerase (wie Mutase) zu UDP-Glukose. Die Transferase entfernt das UDP und<br />
hängt ein Pi an. G1P wird durch Mutase zu G6P<br />
Verwendung von Intermediaten in anderen Stoffwechselwegen<br />
� G6P → G1P → Glykogen<br />
� G6P → Pentosephosphat → Nukleotide<br />
� 1,3-BPG → 2,3-BPG<br />
� PEP → aromatische Aminosäuren<br />
� Pyruvat → Aspartat, Alanin<br />
2.5. Zusätzliches<br />
� Pyruvat-Kinase-Mangel: zu wenig ATP → Na/K-Pumpe beeinträchtigt führt zu<br />
Gradientenausgleich (Erythrozyten haben keine Mitochondrien)<br />
� Fruktose-Intoleranz: Aldolase kann F1P nicht abbauen, Anhäufung führt zu Leber- und<br />
Nierenschäden<br />
� Fructosurie: Frukto-Kinase-Mangel führt zur Steigerung <strong>des</strong> Fruktuse-Gehalts in Blut und Urin<br />
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3. Regulation <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong><br />
Organismen befinden sich in einem Fließgleichgewicht bis sich äußere Umstände ändern (z.B.<br />
Sauerstoffmangel). Dann treten Regulationsmechanismen in Kraft, die wieder den Zustand der<br />
Homöostase herbeiführen. Man unterscheidet hierbei zwei Reaktionstypen:<br />
1. Substratbegrenzte<br />
Enzymaktivität ist hoch genug, Substrat wird angeliefert und gleich umgesetzt. Enzym wandelt<br />
Glukose in Fruktose um. Kommt nun allerdings ein Fruktose-Molekül zu dem Enzym, so wandelt<br />
es dieses einfach in Glucose um<br />
2. Enzymbegrenzte<br />
Reaktionen sind vom Gleichgewicht entfernt; es handelt sich um exergonische Reaktionen die<br />
Begleitenzyme für Konformationsänderungen benötigen<br />
Mechanismen zur Regulation der Enzymaktivität<br />
1. Allosterische Regulation<br />
2. Hormonsignale (revers. Kovalente Modifikation)<br />
3. Veränderung in Anzahl der Moleküle<br />
4. Zymogene<br />
Stoffwechselregulation am Beispiel von Glycolyse-Enzymen<br />
Glycogen-Phosphorylase (in Muskel/Leber der Glykolyse vorgeschaltet)<br />
� Muskel: hormonelle Aktivierung durch Adrenalin und cAMP, allosterische Aktivierung durch Ca 2+<br />
und AMP<br />
� Leber: hormonelle Aktivierung durch Glucagon (falls Glc.-Konz < 4-5 mM), allosterische<br />
Inhibierung durch Glukose (Glukose-Sensor)<br />
Hexikinase (in Säugetieren verschiedene Isoenzyme)<br />
� Muskel: Enzym hat hohe Glc-Affinität, G6P ist allosterischer Inhibitor<br />
� Leber: Glucokinase ist Sensor für Glc.-Konz im Blut (B-Zellen)<br />
Phosphofructokinase-1<br />
� ATP wirkt hemmend, AMP und ADP fördernd<br />
� inhibierte PFK-1 führt zur Hexokinase-Inhibierung<br />
� Citrat verstärkt ATP-Wirkung<br />
� F-2,6-bisP fördert stark<br />
Pyruvat-Kinase (in Säugetieren verschiedene Isoenzyme)<br />
� ATP wirkt hemmend (durch Affinitätssenkung zu PEP)<br />
� F-1,6-bisP aktiviert<br />
� Leber-spez. Form durch reversible Phosphorylierung gedrosselt (bei niedrigem<br />
Blutzuckerspiegel)<br />
� Acetyl-CoA und langkettige Fettsäuren inhibieren<br />
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Glukosetransportproteine<br />
Dabei handelt es sich um Transportproteine die Glukoseaufnahme und –abgabe ermöglichen. Sie<br />
werden GLUT1 bis GLUT5 bezeichnet und bestehen aus circa 500 Aminosäurenreste. Am Motiv kann<br />
Zucker binden, was zu einer Konformationsänderung in Form einer Einstülpung führt, um Glukose rein<br />
oder raus zu transportieren.<br />
1. GLUT1/GLUT3<br />
Befinden sich in nahezu allen Zellen und stellen Grundversorgung sicher. Km-Wert liegt unterhalb<br />
<strong>des</strong> normalen Serum-Spiegel, wodurch ein ständiger Transport ermöglicht wird.<br />
2. GLUT2<br />
Kommt in Leber, Schilddrüse und Hypothalamus vor und verfügt über einen hohen Km-Wert.<br />
Eintrittsgeschwindigkeit von Glukose ist proportional zum BZS. Die Schilddrüse kann somit den<br />
Spiegel messen und die Insulinsekretion anpassen. Bei geringem BZS wird die Glykolyse dor t<br />
heruntergedrosselt, wo sie wenig gebraucht wird (z.B. Leber), damit sie dort, wo sie gebraucht<br />
wird (z.B. Gehirn), einsatzfähig ist<br />
3. GLUT4<br />
Km entspricht dem BZS und vermittelt den Eintritt von Glukose in Muskel- und Fettzellen. Insulin<br />
führt zu erhöhter Expression der GLUT4-Transportern<br />
4. GLUT5<br />
dabei handelt es sich tatsächlich um ein Fruktose-spezifisches Protein<br />
5. Co-Transporter/Ionenkanal<br />
Funktionieren wie Na/K-Pumpen, nur das ein anderer Stoff für den Antiport verwendet wird<br />
(etwa Glukose). Beispiele: SGLT-1, SGLT-2 (Co-Transporter), SGLT-3 (Ionenkanal)<br />
Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA<br />
Pyruvat gelangt über das Pyruvat-Carrier System in die mitochondriale Matrix und wird dort nach<br />
Decarboxylierung als Acetyl-CoA in den Citrat-Zyklus eingespeist. Die Umwandlung übernimmt der<br />
Pyruvatdehydrogenase-Komplex.<br />
1. Thiaminpyrophosphat (TPP) wird angehängt, wobei der Thiazolium-Ring als Elektronenfalle<br />
wirkt. Die chemischen Bindungen werden polarisiert, was zur Dissoziation von CO2 führt<br />
2. Die Bindung wird zur Acetylgruppe oxidiert und wird von Liponamid übernommen und es<br />
entsteht eine energiereiche Thioesterbindung.<br />
3. Die Disulfidbrücke <strong>des</strong> Thioesters wird reduziert und der Acetylrest wird auf Coenzym A<br />
übertragen<br />
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Lactic acidosis<br />
Laktatazidose entsteht bei einer PDH-Deffizienz. Das Pyruvat wird nicht oxidiert und sammelt sich im<br />
Cytoplasma an. Bei der Umwandlung zu Laktat kommt es somit zur Ansäuerung im Blut, wobei die<br />
Protonen durch Bicarbonat im Blut neutralisiert werden.<br />
4. Citrat-Zyklus<br />
4.1. Überblick<br />
Acetyl-CoA gibt seine Acetylgruppe an Oxalacetat weiter und es entsteht Citrat. Dieses reagiert weiter zu<br />
Isocitrat. Es kommt zur CO2-Abspaltung und α-Ketoglutarat entsteht. Eine weitere CO2-Abspaltung führt<br />
zur Bildung von Succinat. Succinat wird in drei Reaktionsschritten zu Oxalacetat umgesetzt, welches für<br />
einen weiteren Umlauf zur Verfügung steht.<br />
In dieser 8-Schritte Reaktion sind vier davon Oxidationen, deren Energie in reduzierten Cofaktoren<br />
(NADH, FADH2) konserviert wird. Neben der Energiegewinnung stehen Zwischenprodukte als<br />
Biosynthesevorstufen zur Verfügung und verbrauchte Intermediate werden durch anaplerotische<br />
Reaktionen wieder nachgeliefert.<br />
4.2. Reaktionsschritte<br />
Reaktion 1: Bildung von Citrat aus Oxalacetat und Acetyl-CoA<br />
Es wird kein ATP verbraucht. Der Methylgruppe wird ein Proton entzogen (sie wird basisch) und es wird<br />
ein nukleophiler Angriff auf das Oxalacetat gestartet. Das Intermediat Citroyl-CoA wird hydratisiert,<br />
wodurch die Schwefelbindung gelöst wird. Unter Abspaltung von CoA entsteht Citrat. Enzym: Pyruvat<br />
Carboxylase<br />
Reaktion 2: Umwandlung von Citrat in Isocitrat<br />
Citrat ist ein tertiärer Alkohol und kann somit nicht oxidiert werden. Es erfolgt eine Umwandlung zu D-<br />
Isocitrat, welcher ein sekundärer Alkohol ist. In Lösung kommen etwa 90% Citrat, 4% cis-Aconitate<br />
(Intermediat) und 6% Isocitrat vor, allerdings zieht die nachfolgende exergonische Reaktion das<br />
Gleichgewicht nach rechts (∆G°‘= +6,3 kJ/mol).<br />
Reaktion 3: Oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat<br />
Das NAD + -gebundene Enzym Isocitrat Dehydrogenase katalysiert das Isocitrat zu einem Keton, wobei die<br />
Reduktionsäquivalente reduziert und CO2 abgegeben wird. Endprodukt ist α-Ketoglutarat. Diese<br />
Reaktion ist wichtig, da hier das erste NADH entsteht.<br />
Reaktion 4: Oxidative Decarboxylierung α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA<br />
Die vierte Reaktion ist vergleichbar mit der Reaktion der Pyruvat Dehydrogenase. Der Ketokörper<br />
unterläuft einer oxidativen Decarboxylierung, wodurch Succinyl-CoA, NADH und CO2 entstehen.<br />
Succinyl-CoA ergibt zusammen mit Glycin die Bausteine für Häm-Gruppen.<br />
Reaktion 5: Umwandlung <strong>des</strong> Succinyl-CoA in Succinat (unter GTP-Bildung)<br />
Durch eine Synthetase wird die energiereiche Verbindung Succinyl-CoA aufgespalten, damit ATP bzw.<br />
GTP aus ADP bzw. GDP geformt werden kann. Edukte sind daher der Metabolit, ein anorganisches<br />
Phosphat und ein Nukleosiddiphosphat. Produkt ist Succinat, GTP und CoA werden abgespalten.<br />
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Reaktion 6: Oxidation von Succinat zu Fumarat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)<br />
Die Succinat-Dehydrogenase oxidiert Succinat zu Fumarat und belädt die Reduktionsäquivalente E-FAD<br />
mit 2 Elektronen (FADH2).<br />
� Fumarat enthält trans-ständigen Wasserstoff, wäre er cis-ständig, würde es sich um Maleat<br />
handeln<br />
� Die gewonnen Elektronen werden in der inneren Mitochondrienmembran an Ubiquinon<br />
übergeben (ein Fe-S-Komplex wird reduziert), welches sie an die Atmungskette weiterreicht.<br />
Reaktion 7: Hydratisierung von Fumarat zu L-Malat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)<br />
Die Doppelbindung wird durch Hydratisierung aufgespalten (verantwortlich ist die Fumarase) und es<br />
entsteht L-Malat. Beim cis-Isomer Maleat zeigt sie allerdings keine Wirkung.<br />
Reaktion 8: Oxidation von Malat zu Oxalacetat (Teilreaktion der Oxalacetat-Synthese)<br />
Die Malat-Dehydrogenase katalysiert die Reaktion zu Oxalacetat. NAD + wird erneut mit Elektronen<br />
beladen (endergonisch). Da das Oxalacetat sofort für die Citrat-Synthese (Reaktion 1 ist exergonisch)<br />
entzogen wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Oxalacetat-Bildung. Der Citrat-Zyklus läuft<br />
daher nur in eine Richtung ab.<br />
4.3. Verwendung von Intermediaten in anderen Stoffwechselwegen<br />
� Citrat → Fettsäuren<br />
� α-Ketoglutarat → Aminosäuren, Purine<br />
� Succinyl-CoA → Hämgruppen, Chlorophyll<br />
� Oxalacetat → Aspartat, andere Aminosäuren, Purine, Pyrimidine<br />
4.4 Pyruvat Carboxylase Defizienz<br />
Eine genetische Erkrankung (Leigh disease), bei der die überlebenden Patienten retardiert sind. Im<br />
Gehirn wird das Enzym in Astrocyten präsentiert, welche Zwischenprodukte <strong>des</strong> Citratzyklus für<br />
Glutamin-Produktion verwenden. Dieser Pfad ist essentiell für das Überleben von Neuronen. Bei einer<br />
Deffizienz können Zellen nun Pyruvat nicht oxidieren, da zu wenig Oxalacetat zur Verfügung steht und<br />
die Leber Pyruvat nicht in Glukose umwandeln kann. Der Pyruvat-Überschuss wird in Laktat<br />
umgewandelt, was zur Laktatazidose führt.<br />
4.5. Regulation <strong>des</strong> Citrat-Zyklus<br />
Regulation bei Vertebraten durch kovalente Modifikation: Kinase inaktiviert E1 bei ATP-Überschuss; bei<br />
ATP-Mangel wird die komplementäre Phosphatase aktiviert.<br />
1. Umwandlung Pyruvat → Acetyl-CoA<br />
2. Eintritt von Acetyl-CoA in den Zyklus<br />
3. Isocitrat → α-Ketoglutarat<br />
4. α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA<br />
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4.6. Weitere Regulation<br />
Der Fluss der Metaboliten unterliegt einer genauen, aber nicht sehr komplexen Regulation. Die<br />
Geschwindigkeit wird durch drei Faktoren bestimmt:<br />
1. Substratangebot<br />
2. Inhibition durch sich anreichende Produkte<br />
3. Allosterische Rückkopplungshemmung (feedback inhibition)<br />
Regulatorische Enzyme <strong>des</strong> Citrat-Zyklus(katalysieren stark exergonische Reaktionen)<br />
� Citrat-Synthase (ATP hemmt durch Km-Erhöhung für Acetyl-CoA)<br />
� Isocitrat-Dehydrogenase (ADP erniedrigt Km, Bindung von Isocitrat, NAD + , Mg 2+ und ADP erfolgt<br />
kooperativ, NADH und ATP hemmen)<br />
� α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (Hemmung durch Reaktionsprodukte, Succinyl-CoA, NADH)<br />
Regulation <strong>des</strong> Pyruvatdehydrogenase-Komplexes (PDC)<br />
Durch die Phosphorylierung und Dephosphorylierung einer bestimmten Serin-Seitenkette wird die PDC<br />
deaktiviert und aktiviert. Eine Kinase übernimmt das Deaktivieren der PDC, kann allerdings durch<br />
verschiedene Faktoren inhibiert werden: sobald die PDC ihre Substrate bindet bzw. sobald sich ADP und<br />
Pyruvat anhäufen, wird die Kinase abgeschalten. Eine Ca 2+ -abhängige Phosphatase entfernt das<br />
Phosphat schließlich und aktiviert die PDC wieder. Aktiviert wird die Kinase sobald die PDC Acetyl-CoA<br />
und NADH bindet.<br />
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4.7. Leighs disease<br />
Leighs disease ist eine vielseitige Erkrankung, die zu Laktatazidose führt. In einem Beispielfall hatte ein<br />
Patient eine defekte E3 (Teil der PDC). Dies führt zu einer Defizienz bei der Pyruvat Dehydrogenase als<br />
auch bei der α-Ketoglutarat Dehydrogenase. Da sich Pyruvat ansammelt (und dies zu Laktat umgesetzt<br />
wird), kommt es infolge <strong>des</strong>sen zu einer Azidose.<br />
4.8. Glyoxylat-Zyklus<br />
Dieser Zyklus ist ein Werkzeug <strong>des</strong> Anabolismus. Er findet sich bei keimenden Samen von höheren<br />
Pflanzen als auch bei Bakterien, die von Acetat als Kohlenstoffquelle leben. Ein wesentlicher Unterschied<br />
zum Citrat-Zyklus ist das Auslassen der beiden Decarboxylierungsschritte.<br />
5. Katabolischer Lipid-Stoffwechsel<br />
Überblick<br />
Wege von Triacylglycerin im Körper<br />
� Fette aus Verdauung werden über Gallensäure-haltige Mizellen aufgenommen<br />
� Aufspaltung in Monoglyceride für Transport in Dünndarmlumen<br />
� Triacylglycerid-Resynthese und Aufnahme in Chylomikronen<br />
� Transport über Lymphe und Blut, Aufspaltung im Blut durch Lipasen<br />
� Bildung von Lipoproteinen für Bluttranspor in Lebert (VLDL)<br />
� Speicherung im Fettgewebe<br />
� Transport von Fettsäuren durch Albumin<br />
� Verbrauch in Muskel, Leber und Herz<br />
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Lipoproteine<br />
Lipoproteine steuern den Transport und die Verwertung von Lipiden. Ihre amphiphile Membran besteht<br />
aus Cholesterinen und Phosphoglyceriden und werden von den Apoproteinen unterbrochen. Im Kern<br />
befinden sich Cholesterinester und Triacylglycerine.<br />
Chylomikronen<br />
Sind für den Transport der in der Nahrung aufgenommenen Lipide an die Peripherie zuständig. Sie<br />
wandern zu Endothelzellen und docken über die Apoproteine (Apo C-II) auf der Membran an<br />
sogenannte Lipoprotein-Lipasen an, die ihrerseits wiederum über Proteoglykane an die<br />
Endothelmembran gekoppelt sind. Die Lipasen werden aktiviert, die daraufhin die Triacylglycerine<br />
hydrolysieren. Diese können nun aus den Chylomikronen heraus und in die Endothelzellen<br />
hineindiffundieren.<br />
Umwandlung von Triacylglycerin zu Acetyl-CoA<br />
1. Hydrolyse von Triacylglycerinen<br />
2. Aktivierung von Fettsäuren<br />
3. Transport über die innere mitochondriale Membran<br />
4. β-Oxidation<br />
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1. Hydrolyse von Triacylglycerinen<br />
Lipasen sind eine heterogene Enzymklasse, die in verschiedenen Kompartimenten in unterschiedlicher<br />
Form vorkommen. In Adipocyten sind sie intrazellulär, im Gefäßsystem ans Endothel gebunden<br />
(Lipoprotein-Lipasen) oder im Darmlumen als Pankreas-Lipasen. Die Lipasen hydrolysieren nun die<br />
Triacylglycerine und spalten sie in Acylgruppen. Das Glycerin-Gerüst wird durch eine Kinase<br />
phosphoryliert und anschließend durch eine Dehydrogenase oxidiert. Endprodukt ist<br />
Dihydroxyacetonphosphat, welches für die Glykolyse bzw. Gluconeogenese verwendet werden kann.<br />
2. Aktivierung von Fettsäuren<br />
Die Acyl-Moleküle erhalten ein AMP, welches aus einer ATP-Spaltung hervorgeht (es entsteht dabei ein<br />
Pyrophosphat); beteiligte Enzyme sind eine Thiokinase und eine Pyrophosphatase. Die Abspaltung <strong>des</strong><br />
AMPs sowie die Spaltung <strong>des</strong> Pyrophosphats in zwei einfache Phosphate erzeugt genug Energie um mit<br />
Coenzym A verestert zu werden. Es entsteht Acyl-CoA.<br />
3. Transport über die innere mitochondriale Membran<br />
Coenzym A kann nicht durch die innere mitochondriale Membran diffundieren, weshalb eine Umladung<br />
der Acylreste erfolgt. Die Reaktion wird durch eine Acylcarnitin-Transferase katalysiert und das Zielmolekül,<br />
Carnitin, ist ein zwitterionisches Derivat einer Gamma-Aminosäure. Carnitin fungiert hier rein<br />
als Übertragungsmolekül.<br />
Das Acylcarnitin wird über ein Antiportsystem in die mitochondriale Matrix transportiert. Der<br />
Transporter ist ein mtMembran-Protein mit dem Namen Acylcarnitin-Translokase und transportiert<br />
parallel zum Acylcarnitin-Import das unbeladene Carnitin wieder in dem IMS (inter membrane space).<br />
Die „Entladung“ übernimmt innerhalb <strong>des</strong> IMS ebenfalls eine Acylcarnitin-Transferase. Das Acyl-Molekül<br />
erhält ein neues CoA und wandert weiter zur β-Oxidation.<br />
4. β-Oxidation<br />
Die β-Oxidation erfolgt in mehreren Reaktionsschritten und wird so lange durchlaufen, bis die<br />
Fettsäuren vollständig in Acetylreste zerlegt werden.<br />
� Acyl-CoA wird durch Acyl-CoA Dehydrogenase oxidiert und FAD + wird zu FADH2 reduziert<br />
� das Intermediat erhält durch eine Hydratase eine OH-Gruppe<br />
� eine Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert erneut und NAD + wird zu NADH reduziert<br />
� im letzten Schritt fügt eine Thiolase einen weiteren CoA-Thioester an und es entstehen als<br />
Produkte ein Acyl-CoA und ein Acetyl-CoA. Ersteres durchläuft den Zyklus erneut<br />
Abbau von Palmitat<br />
Palmitat ist ein Nebenprodukt <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong> und wird in Acyetyl-CoA zerlegt. Es durchläuft<br />
sechs mal die β-Oxidation, wobei jeweils ein Acetyl-CoA anfällt. In der finalen siebten Runde<br />
entstehen zwei Acetyl-CoA’s.<br />
Abbau von Acetoacetat<br />
Entstehen durch Acetyl-CoA-Überangebot in der Leber und werden für Fastenzeit angereichtert.<br />
Eine CoA-Transferase überführt Acetoacetat in Acetoacetyl-CoA, eine Thiolase generiert daraus mit<br />
Hilfe eines zusätzlichen CoAs zwei Acetyl-CoAs. Die CoA-Transferase wird nicht in der Leber<br />
exprimiert.<br />
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Zerebro-Hepato-renales Zellweger-Syndrom<br />
Bei diesem Syndrom kommt es zum generalisierten Ausfall peroxisomaler Funktionen. Peroxisomen sind<br />
ubiquitär und haben vielfältige Enzymfunktion für katabolische und anabolische Stoffwechselwege. So<br />
werden zum Beispiel Stoffe wie Harnsäuren, Aminosäuren und sehr langkettige Fettsäuren oxidiert. Ein<br />
Ausfall führt zu gravierenden Schädigungen.<br />
α-Oxidation<br />
Die α-Oxidation wird für den Abbau von Phytol verwendet. Dieses ist an Chlorophyll verzweigt und kann<br />
von der β-Oxidation nicht oxidiert werden. Ein Ausfall der α-Oxidation äußert sich im Refsum’s disease,<br />
eine schwere Lipidstoffwechselerkrankung.<br />
ω-Oxidation<br />
Fettsäuren können auch am Omega-Kohlenstoff (terminale Methylgruppe) oxidiert werden. Dies erfolgt<br />
im ER und im Zusammenspiel mit Cytochrom P450. Die Methylgruppe wird zum Alkohol oxidiert und von<br />
einer Dehydrogenase weiter zu einer Carbonsäure katalysiert. Die dabei entstehenden Dicarbonsäuren<br />
können anschließend die β-Oxidation durchlaufen. Alle drei Formen der Oxidationen sind reguliert durch<br />
Substrat-Angebot.<br />
Allgemeines<br />
� Fat depots enthalten kein Wasser und sind starke Elektronen-Akzeptoren<br />
� Adipocyten werden bei Nahrungsmittelmangel lipolysiert<br />
� FATP (fatty acid transport protein) ist amphiphil und transportiert durch Membranen<br />
� Chylomikrone würden in engen Kapillaren stecken bleiben, allerdings tragen sie eine negativ<br />
geladene Glykanschicht<br />
� >C14-Fettsäuren müssen vor MT-Transport modifiziert werden<br />
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6. Aminosäurenoxidation & Harnstoffproduktion<br />
Überblick<br />
� über die Nahrung aufgenommene AS können in Proteine eingebaut oder metabolisiert werden<br />
� Hauptverteilungsorgan ist die Leber<br />
� beim Abbau wird zuerst die α-Aminogruppe entfernt<br />
� das C-Gerüst kann vielfältig eingesetzt werden (Acetyl-CoA, Acetoacetyl-CoA, Pyruvat, etc.)<br />
dies stellt die Verbindung zum oxidativen Katabolismus (Citratzykl.), Gluconeogenese und<br />
Fettsäuresynthese dar<br />
Oxidativer Abbau findet statt<br />
1. während Synthese und beim Abbau zellulärer Proteine<br />
2. bei AS-Überschuss (AS werden nicht gespeichert) → Katabolismus<br />
3. wenn nicht ausreichend Kohlenhydrate verbrannt werden (Nahrungsmangel, Krankheit)<br />
Wichtige Aminotransferasen<br />
� Aspartat-Aminotransferase (AST): katalysiert reversibel den Transfer von Asp auf α-Ketoglutarat<br />
� Alanin-Aminotransferase (ALT): katalysiert den Transfer von Ala auf α-Ketoglutarat<br />
� α-Ketoglutarat fungiert auch für andere Aminosäuren als Akzeptor und wird zu Glutamat<br />
Wichtig: durch die Transaminase-Reaktion wird der Stickstoff der Aminosäure entfernt und in Form von<br />
Glutamat (intrazellulär) bzw. Glutamin/Alanin (extrazellulär) konserviert. Dieses wird anschließend in<br />
den Harnstoff abgegeben, damit es nicht mehr schädlich ist. Würde der Ammoniak ins Blut kommen,<br />
würde er als Base fungieren und eine Alkalose auslösen. Weiters besteht die Möglichkeit zur<br />
Umwandlung von Ammonium, was neurotoxisch ist.<br />
Glutamin ist (neben Alanin) der wichtigste AS-Gruppen-Transporter und kommt <strong>des</strong>halb auch in hohen<br />
Konzentrationen im Blut vor. Neben dem Abtransport für den Katabolismus fungiert die AS auch als AS-<br />
Gruppen-Versorger im Anabolismus sowie als pH-Puffer in der Niere. Bei der Beladung wird ATP<br />
verbraucht. Glutamin ist neutral, ohne Nettoladung und permeiert leicht durch Membranen.<br />
Das α-Ketoglutarat wird durch eine oxidative Desaminierungs-Reaktion durch die Glu-Dehydrogenase<br />
(GDH) zurückgewonnen, wobei NAD(P) + zu NAD(P)H reduziert wird (es kann auch NAD + als Oxidans<br />
verwendet werden).<br />
Protein-Abbau<br />
Wird durch Proteasen bewerkstelligt (auch Peptidasen, Hydrolasen). Sie spalten zwischen dem C- und<br />
dem N-terminalen Ende zweier Aminosäuren. Man unterscheidet:<br />
� Verdauungsenzyme (für Nahrungsproteine zuständig)<br />
� Extrazelluläre Peptidasen (im Blut z.B. bei Gerinnung; Fibrinolyse)<br />
� Intrazelluläre Peptidasen (in Kompartimenten wie ER, Golgi, Cytosol → Proteasom)<br />
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Abbauwege von Aminosäuren<br />
Wie auch bei Kohlenhydrate und Fettsäuren, so endet auch der Abbau von Aminosäuren in den selben<br />
Wegen <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong>. Die C-Ketten der Aminosäuren werden im Citrat-Zyklus oxidiert und an die<br />
Gluconeogenese weitergeleitet. Die α-Aminogruppe allerdings schlägt einen anderen Weg ein<br />
(„biochemische Weggabelung“).<br />
Die Aminogruppe wird auf unterschiedlichen Weg ausgeschieden:<br />
� NH4 + (Fische, Amphibienlarven)<br />
� Harnstoff (Landwirbeltiere)<br />
� Harnsäure (Vögel, Reptilien)<br />
Glucose-Alanin-Zyklus<br />
Die Aminogruppe reagiert zusammen mit dem aus der Glykolyse gewonnenen Pyruvat zu Alanin,<br />
welches zur Leber transportiert wird. Dort kann das Pyruvat für die Gluconeogenese verwendet werden<br />
und das Glutamat wird in Form von Harnstoff ausgeschieden.<br />
Harnstoffzyklus<br />
Reaktion 1 (Enzym: Carbamoylphosphat-Synthetase I)<br />
Um die Aminogruppe aufzufangen benötigt es einen Akzeptor. Dieser wird in Form von einem<br />
phosphorylierten Hydrogencarbonats zur Verfügung gestellt. Das C/P-Anhydrid bindet das Ammonium<br />
und es entsteht Carbamat. Eine weitere Phosphorylierung erzeugt das Endprodukt Carbamoyl-Phosphat.<br />
Das Enzym wird durch N-Acetylglutamat allosterisch gebunden und somit aktiviert. Der Aktivator wird<br />
bei stiegender Arginin-Konzentration synthetisiert (Indikator für starken Stoffumsatz im Harnstoff-<br />
Zyklus).<br />
� CPS II sitzt im Cytosol<br />
Reaktion 2<br />
Das Carbamoyl-Phosphat trifft auf ein das Molekül Ornithin und gibt diesem seine Aminogruppe.<br />
Katalysiert wird die Reaktion von der Ornithin-Transcarbamoylase zu Citrullin. Dieses reagiert mit<br />
Aspartat und ATP zu Argininosuccinat (Enzym: Argininosuccinat-Synthetase).<br />
Reaktion 3<br />
Das Argininosuccinat wird durch eine Arginino-Succinase zu Fumarat und Arginin aufgespaltet. Arginin<br />
wird durch eine Arginase hydrolysiert und es entstehen Harnstoff und Ornithin.<br />
Biosynthese von Kreatinphosphat<br />
Kreatinphosphat wird aus Arginin und Glycin gewonnen. Dabei entsteht Ornithin, was für den Harnstoff-<br />
Zyklus verwendet werden kann. Kreatinphosphat ist ein „high energy“-Speicher in Skelettmuskelzellen<br />
und dient für Hochleistungssport. Kreatin zyklisiert spontan zu Kreatinin und wird bei der<br />
Nierenfunktionstestung herangezogen.<br />
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Glucogene AS (schwarz), ketogene (rot), gemischt (blau)<br />
7. Oxidative Phosphorylierung<br />
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Allgemeines<br />
Bei chemischen Reaktionen kann Energie verbraucht oder frei werden. Im menschlichen Stoffwechsel<br />
gehören die Redox-Reaktionen zu den wichtigsten Reaktionen. Dabei werden zwischen Reduktions- und<br />
Oxidationsmittel Elektronen übertragen. Die Affinität zu Elektronen wird im Redoxpotential E0<br />
angegeben. Dabei hat je<strong>des</strong> Reagenz die höhere Elektronenaffinität, <strong>des</strong>sen Redoxpotential im Vergleich<br />
zur H-Elektrode (E0 =0) positiver ist.<br />
Das Redox-Potential ist abhängig von der Konzentration (Nernst Gleichung).<br />
Elektronen-Carrier (Atmungskette)<br />
� NAD + : Reduktionsäquivalente<br />
� FAD: Flavoproteine<br />
� Ubiquinon (Coenzym Q): lipophil,<br />
Zwischencarrier<br />
� Cytochrom: eisenhaltige Elektronentransporter<br />
mit Porphyrin-Ring<br />
� Fe-S Proteine: gute Donoren, niedriges Redox-Potential<br />
� in der Atmungskette gibt es zwei treibende Kräfte: die Reduktionskraft der Reduktionsäquivalenten<br />
und die Oxidationskraft <strong>des</strong> Sauerstoffs<br />
Bestandteile der Atmungskette<br />
1. Komplex I: NADH → UQ<br />
2. Komplex II: Succinat → UQ<br />
3. Komplex III: UQ → Cyt c<br />
4. Komplex IV: Cyt c → O2<br />
5. Komplex V: ATP-Synthase<br />
� Beim Verlust zu seinen anderen Komplexen wird Komplex 5 zu einer ATPase.<br />
Ubiquinon<br />
Ist ein Elektronenüberträger zwischen Komplex 1 bzw. Komplex 2 auf Komplex 3. Bei der Übertragung<br />
werden in zwei Schritten jeweils ein Elektron und ein Proton übertragen, wobei zwischen Edukt und<br />
Produkt (Ubichinol) das Intermediat-Radikal Semichinon entsteht.<br />
Cytochrome<br />
Erhalten ihre Elektronen von Komplex 3 und übergeben sie in Komplex 4 auf den Sauerstoff. Man<br />
unterscheidet die Cytochrome A, B und C, wobei je<strong>des</strong> vier fünfgliedrige N-Ringe enthält, die eine<br />
zyklische Struktur bilden. Die Ringe konzentrieren sich um ein zentrales Eisen-Atom (Fe 2+ oder Fe 3+ ). Eine<br />
Variante, das Eisen-Protoporphyrin IX kommt in Cytochrom b, Hämo- und Myoglobin vor.<br />
Eisen-Schwefel-Zentrum<br />
In der einfachsten Form wird das zentrale Eisenatom von jeweils einem Schwefel von vier Cysteinen<br />
gehalten. In komplexeren Formen finden sich mehr Eisen- und Schwefel-Atome im Zentrum.<br />
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Komplex I (NADH-Ubiquinon-Oxidoreduktase)<br />
Hier werden 2 Elektronen von NADH auf FMN übertragen. Die Elektronen werden über Fe-S-Zentren an<br />
das eisenhaltige Protein N-2 übertragen, welches im Matrixarm liegt. N-2 überträgt die Elektronen auf<br />
Ubiquinon (UQ), welches zu Ubiquinol (UQH2) reduziert wird. Dieses kann dann durch die<br />
Lipiddoppelschicht diffundieren.<br />
Komplex II (Diverse)<br />
� NADH → FAD → FeS → UQ FAD: FMN<br />
� Succinat → FAD → FeS → UQ FAD: ?<br />
� Glycerin-3-phosphat → FAD → UQ FAD: Glyc-3-phosphat-Dehydrogenase<br />
� Fettsäureacyl-CoA → FAD → Fe-S → UQ FAD: ETF<br />
Komplex III (Cytochrom c–Oxidoreduktase)<br />
Der funktionelle Kern besteht aus Cytochrom b (zwei Hämgruppen), Rieske-Fe-S-Protein und Cytochrom<br />
c (eine Hämgruppe). Komplex III hat zwei Bindungsstellen für UQH2, welche auch Targets bei der<br />
Inhibierung sind (z.B. Antimycin A). Das ankommenden UQH2 gibt ein Elektron ab und reduziert dabei<br />
Cytochrom c (zwei H + werden in den Membranraum abgegeben). Das verbleibende Elektron reduziert<br />
das mitochondrialmatrix-seitige UQ zu UQH2 (zwei Protonen werden aufgenommen).<br />
Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase)<br />
Zwei Moleküle vom reduzierten Cytochrom c geben jeweils ein Elektron an das zweikernige Zentrum CuA<br />
ab. Die Elektronen fließen durch Häm a zum Fe-Cu-Zentrum. Nun bindet Sauerstoff an Häm a und wird<br />
durch das Zentrum reduziert (O2 2- ). Zwei weitere Elektronen vom Cytochrom c und 4 Protonen erzeugen<br />
dann zwei Wassermoleküle.<br />
� Bei der Atmungskette werden kontinuierlich Protonen in den Intermembranraum abgegeben;<br />
die dadurch entstehenden Gradienten werden im chemiosmotischen Modell beschrieben. Da<br />
Ionen durch Membranen nicht einfach diffundieren können, gleichen Protonenpumpen die<br />
Gradienten aus. Da im Intermembranraum eine höhere Protonenkonzentration vorkommt, kann<br />
die Energie für ATP-Synthese (Komplex V) verwendet werden<br />
� Chemiosmotisch: Innenseite ist alkalisch und negativ geladen<br />
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Komplex V (F0F1-ATP-Synthase)<br />
Eine Protonenpumpe die in der inneren Membran <strong>des</strong> Mitochondriums sitzt und Protonen entlang <strong>des</strong><br />
Gradienten in die mtMatrix transportiert. Die freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP<br />
verwendet; die Protonen werden für die Atmungskette benötigt. Das F0-Segment ist membranständig ,<br />
das F1-Segment mit seinen komplexen Untereinheiten sitzt in der Matrix. Pro ATP-Synthese wird ein<br />
Proton benötigt.<br />
Die Edukte ADP und Pi (in Form von H2PO4 - ) werden über Translokasen in die Matrix transportiert; das<br />
synthetisierte ATP nutzt die Antiport-Funktion der Adeninnucleotid-Translokase um in den Intermembranraum<br />
zu gelangen. Das Phosphat wird zusammen mit H + transportiert (Symport).<br />
Wie gelangen die Elektronen zu den Komplexen?<br />
Im IMS gibt NADH zwei Elektronen an Oxalacetat ab, welches zu Malat reduziert wird. Über einen<br />
Transporter wandert Malat in die Matrix. Es wird zu Oxalacetat oxidiert; die Elektronen wandern auf<br />
NAD + , welches sie an die Atmungskette weiterreicht. Das verbleibende Oxalacetat wird zu Aspartat<br />
transaminiert und über einen Transporter zurück in den IMS gebracht, wo es recycelt wird.<br />
Allgemeines<br />
Gifte<br />
� braunes Fettgewebe exprimieren das Protein Thermogenin, welches als Entkopplungs-Protein<br />
bezeichnet wird. Es ermöglicht den Protonen auf alternativem Weg in die mtMatrix zu gelangen<br />
und die dabei entstehende Energie wird in Wärme umgewandelt<br />
� Weitere Entkoppler: DNP, FCCP (hydrophobe Protonen-Carrier)<br />
� Cytochrom-Oxidasen-Hemmer: Cynid, Kohlenmonoxid<br />
� ATP-Synthese-Hemmer: Oligomycin, Venturicidin<br />
8. Biotransformation<br />
Hierbei handelt es sich um Oxidations- und Konjugationsreaktionen, bei denen hydrophobe Substrate<br />
(Xenobiotica und endogene Metabolite) wasserlöslich gemacht werden, wodurch ihre Ausscheidung<br />
über Galle oder Niere vereinfacht wird. Dies findet hauptsächlich in der Leber, vereinzelt aber auch in<br />
Lunge, Haut, Darm-Mucosa und Nieren statt. Auf zellulärer Ebene sind das glatte ER, das Cytosol und die<br />
Mitochondrien beteiligt.<br />
Ausgeschieden wird in der Regel renal (Niere) oder biliär (Galle).<br />
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Neben der Erhöhung der Löslichkeit möchte die Biotransformation Metabolite auch inaktivieren, damit<br />
diese schnell und komplikationslos ausgeschieden werden können. Dies wird durch zwei<br />
Reaktionsphasen bewerkstelligt:<br />
Substrate<br />
Phase 1<br />
Hier haben wir den lipophilen, biologisch-aktiven Metabolit. Es erfolgt eine Oxidation, eine<br />
Hydrolyse und eine Reduktion. Ziel durch diese Modifikation ist es, störende Seitenketten zu<br />
entfernen und reaktive Stellen zu neutralisieren (durch Anlagern von OH-Gruppen).<br />
Phase 2<br />
Als Edukt steht das Phase-1-Produkt zur Verfügung. Es erfolgen Konjugationsreaktionen,<br />
wodurch polare Seitenketten angehängt werden, welche die Löslichkeit erhöhen. Anschließend<br />
wird über Galle oder Niere ausgeschieden.<br />
1. Körpereigene Stoffe<br />
� Bilirubin (Abbauprodukt der Hämgruppen)<br />
� Sterioidhormone<br />
� Gallensäuren<br />
2. Xenobiotica<br />
� Prodrugs: Medikamente, die erst durch die Biotransformation aktiv werden<br />
� Giftung: das Analogon für giftige Stoffe<br />
� unter „präsystemische Elimination“ versteht man den Wirkungsverlust von Pharmaka während<br />
ihrer Passage durch die Leber<br />
Phase 1 im Detail<br />
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Cytochrom P450 (CYP) sind ubiquitäre enzymatische Hämproteine, deren Hauptaufgabe die Oxidation<br />
körpereigener und –fremder Stoffe zuteil fällt. Die meisten CYPs arbeiten als Monooxygenasen (siehe<br />
obere Grafik). Vier Stickstoffatome formen einen Protoporphyrin IX mit einem zentralen Fe 3+ -Atom.<br />
CYPs sind eine Enzymklasse, von denen etwa 60 verschiedene Formen im menschlichen Organismus<br />
nachgewiesen worden sind. Diese Isoformen unterscheiden sich oft in ihrer Substratspezifität. Ihre<br />
höchste Konzentration findet sich in der Leber und die am häufigsten vertretene Isoform ist CYP 3A4.<br />
Die Expression wird durch Ansammlung von Substraten induziert, was einen wichtigen Mechanismus bei<br />
der Toleranz gegenüber Gifte und Arzneimittel darstellt. Dies ist auch die Ursache, warum Menschen<br />
unterschiedlich auf Xenobiotica reagieren → genetische oder epigenetische Unterschiede bei der<br />
Expression.<br />
Die CYPs sind über hydrophobe Seitenkeiten mit der ER- bzw. teilweise auch mit der mitochondrialen<br />
Membran assoziiert, wobei das aktive Zentrum scheinbar in Richtung Cytosol orientiert ist.<br />
Reaktionsprinzip der Oxidation<br />
Wie beim Hämoglobin wird hier das Fe 3+ zu Fe 2+ reduziert und kann somit O2 binden. Während<br />
ein Sauerstoff-Atom mit dem Substrat reagiert, bindet das andere Atom zwei Protonen und<br />
Wasser entsteht. Die Elektronen werden von der CYP450-Reduktase zur Verfügung gestellt (aus<br />
NADPH).<br />
Reaktionsprinzip der Hydrolyse<br />
Es erfolgt eine hydrolytische Spaltung von Estern und Amiden, damit neue funktionelle Gruppen<br />
entstehen und diese somit angegriffen werden können. Beispiel stellt das Aspirin<br />
(Acetylsalicylsäure) dar, welches durch Wassereinlagerung seine Acetyl-Gruppe verliert.<br />
Reaktionsprinzip der Methylierung<br />
Wie auch beim Gene-Silencing kommt auch bei der Biotransformation die Methylierung vor. Da<br />
Methylgruppen allerdings relativ apolar sind, steht hier die Inaktivierung und nicht die<br />
Löslichkeit im Vordergrund (z.B. Noradrenalin).<br />
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Mikrosomales ethanoloxidieren<strong>des</strong> System (MEOS)<br />
Bei chronischen Alkoholikern wird dieser alternative Weg eingeschlagen, wodurch der<br />
Alkoholabbau um 10% gesteigert wird. Der Alkohol wird direkt mit Sauerstoff oxidiert und erhält<br />
seine Elektronen von NADPH/H + .<br />
Phase II<br />
Modifizierte Metaboliten aus Phase I bzw. Stoffe, die nicht modifiziert werden mussten, durchlaufen<br />
nun Phase 2, in der sie eine Konjugationsreaktion unterzogen werden. Es werden negativ geladene,<br />
stark polare Gruppen angehängt. Eine der häufigsten Reaktionen ist die Glucuronidierung, bei der<br />
Glucuronsäure angehängt wird. Beteiligte Enzyme sind Glucuronosyltransferasen im ER.<br />
UDP-Glucuronosyltransferasen<br />
� etwa 20 Isoformen<br />
� hängen aktivierte Glucuronsäure an funktionelle Gruppen (Hydroxy-, Carboxy-, Aminogruppen)<br />
� Substrat-Beispiele: Bilirubin, Sterioidhormone, Gallensäure, fettlösliche Vitamine<br />
� UGTs spielen eine zentrale Rolle bei der Entgiftung und Elimination dieser Substanzen<br />
� in Leber der höchste Gehalt<br />
Sulfatierung<br />
� Alternative zur Glucuronidierung<br />
� Transferase überträgt Sulfatgruppe (PAPS als Donor)<br />
� Enzyme befinden sich im Cytosol<br />
Aminosäuren-Konjugation<br />
� Weitere Alternative<br />
� an Substrate (Gallensäuren) werden Taurin, Glycin oder Glutamin gekoppelt<br />
� die AS bindet über ihre Aminogruppe an die zuvor aktivierte Carboxylgruppe <strong>des</strong> Substrates<br />
� Glutathion<br />
o für viele Medikamente ein Entgiftungsweg (Tripeptid, bestehend aus Glutamat, Cystein und<br />
Glycin)<br />
o dient als Oxidationsmittel in Erythrozyten und kann extraribosomal unter ATP-Verbrauch<br />
synthetisiert werden<br />
o Reaktion durch Glutathion-S-Transferasen; höchste Konzentration in Leber, zellulär im<br />
Cytosol<br />
o Konjugation dient als physiologischer Schutz gegen elektrophile Metaboliten<br />
9. Aufbau und Biosynthese von Nukleotiden<br />
Vorkommen<br />
� Nucleinsäuren, Energieträger ATP und GTP<br />
� Cofaktoren (NAD, FAD, CoA)<br />
� Sekundäre Botenstoffe (cAMP, cGMP)<br />
� Signlafunktionen (z.B. Adenylylierungen von Proteinen)<br />
Synthese<br />
1. De novo Synthese aus AS, Ribosephosphaten, CO2 und NH3<br />
2. Recyclingwege („salvage pathways“)<br />
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1. de-novo Synthese<br />
Unterschied zwischen Purinen und Pyrimidinen<br />
Purine werden so erzeugt, dass bis auf Glycin lauter Einzelatome an Ribose angehängt werden.<br />
Pyrimidine wiederum werden als Orotat synthetisiert, an Ribose gebunden und dann<br />
umgewandelt. In der Synthese wird Asparaginsäure verwendet.<br />
� Gemeinsam haben sie die Vorstufe PRPP (Phospho-Ribosyl-Pyrophosphat)<br />
� NH2-Donoren sind Glutamin und Aspartat<br />
� bei Synthese sind große Enzymkomplexe beteiligt<br />
� Menge an freien Nucleotiden ist gering, daher muss Synthese ständig laufen<br />
Purin-Synthese für AMP/GMP<br />
Ausgangsstoff für die Endprodukte ist Inosinat. Dieses wird über mehrere Reaktionsschritte<br />
erzeugt, wobei Enzymkomplexe mehrere nicht aufeinander-folgende Reaktionen katalysieren.<br />
Endprodukt ist ein Inosinat. Abhängig davon, ob AMP oder GMP syntetisiert werden soll,<br />
werden unterschiedliche Richtungen eingeschlagen.<br />
AMP-Weg: Asparaginsäure wird als Aminogruppendonor verwendet. GTP versorgt die<br />
Transaminierungsreaktion mit Energie. Es entsteht Adenylsuccinat. Die Seitenkette wird in Form<br />
von Fumarat abgespalten und der Stickstoff bleibt am Ring.<br />
GMP-Weg: eine OH-Gruppe wird an den Ring angefügt und anschließend oxidiert (Elektronen<br />
stammen von NAD + ). Unter ATP-Verbrauch wird dann der Sauerstoff durch Glutamin<br />
substituiert.<br />
Pyrmidin-Synthese<br />
Ausgangsstoff ist Carbamoyl-Phosphat, welches mit Aspartat verbunden wird. Unter<br />
Wasserabspaltung kommt es zum Ringschluss. Ein Enzym oxidiert das Intermediat zu Orotat.<br />
Anschließend wird unter Energieverbrauch der Zucker angehängt. Nach Abspaltung eines<br />
Kohlendioxids haben wir nun UMP. Dieses kann nun zu UTP phosphoryliert werden und durch<br />
Oxidation zu CTP umgebaut werden. Endprodukt CTP ist ein allosterischer Inhibitor für die<br />
Enzyme die anfänglich arbeiten.<br />
Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotide (irreversibel!)<br />
Reduktion erfolgt am C2 der D-Ribose. Die Substrate sind Ribonucleosiddiphosphate.<br />
Zwischenprodukte sind radikal. Enzym: Ribonucleotid-Reduktase.<br />
Thymidylat-Synthese 1<br />
CDP wird durch die Reduktase zu dCDP und durch eine Kinase zu dCTP. Eine Desaminase<br />
wandelt es zu dUTP um. Die Phosphase werden entfernt. Eine Thymidylat-Synthase macht aus<br />
dem dUMP ein dTMP. Bei UDP als Edukt werden die selben Schritte, mit Ausnahme der<br />
Desaminse-Reaktion durchgeführt. Die Methyl-Gruppe <strong>des</strong> Thymins kommt von Methylen-<br />
Tetrahydrofolat, welches zu 7,8-Dihydrofolat wird (Regeneration durch Dihydrofolat-Reduktase).<br />
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2. Recyclingwege<br />
Vitamin B12<br />
Purine Salvage Pathways<br />
Aus Ribonucleotiden werden Desoxyribonucleotide (irreversibel). Die meisten de novo<br />
Synthesen erfolgen in der Leber, vereinzelt aber auch im Gehirn oder Neutrophilen. In der Leber<br />
werden die Nukleotide zu Nukleoside konvertiert (Verlust der Phosphatgruppe) und können<br />
über RBC in andere Gewebe gelangen. Dadurch können sie für verschiedene Zwecke, etwa RNA-<br />
oder DNA-Synthese verwendet werden.<br />
Pyrimidine Salvage Pathways<br />
Pyrimidine werden durch zwei Reaktionsschritte geformt. Im ersten Schritt kommt eine relativ<br />
unspezifische Nukleosid-Phosphorylase zum Einsatz und aus einer freien Pyrimidin-Base wird ein<br />
Nukleosid mit einer Phosphatgruppe. Nun kommt eine spezifische Nukleosid-Kinase zum<br />
Einsatz, die durch Phosphorylierung ein Nukleotid formt. Weitere Phosphorylierungen erfordern<br />
– wie auch bei Purinen – weit spezifischere Kinasen.<br />
Die Pyrimidin-Phosphorylasen haben bestimmte Vorlieben: Uracil und Cytosine werden<br />
bevorzugt, während ihre Thymin-Affinität relativ niedrig ist. Thymine werden durch Thymin-<br />
Phosphorylasen an die Desoxyribosen angehängt. Eine weiteres wichtiges Enzym ist die<br />
Thymidin-Kinase, welche mit Zell-Proliferation in Verbindung gebracht wird. In der S-Phase<br />
steigt ihre Aktivität immens. Gehemmt wird sie allosterisch durch dTTP.<br />
B12 wird über die Nahrung aufgenommen und bindet im Magen an sogenannte R-binders (Haptocorrins).<br />
Gebunden wandert es durch die Innereien, bis es die Pankreas passiert. Die Schilddrüse sezerniert<br />
Proteasen, die den R-binder abbauen. Das freie B12 wird vom intrinsic factor IF gebunden und zum Ileum<br />
transportiert. Über Transcobalamin-Proteine gelangt es dann zur Leber, wo 50% gespeichert werden.<br />
Der Vorrat hält für 3 bis 6 Jahre, bevor Symptome auftreten. B12 hat zwei Funktionen im Körper: den<br />
Transfer von Methylgruppen auf Homocystein und das Rearrangement einer Methylgruppe um Succinyl-<br />
CoA zu bilden.<br />
SAM (S-Adenosylmethionin)<br />
Ein weiterer wichtiger Methylgruppen-Donor. Es wird aus Methionin und ATP synthetisiert. Wie auch bei<br />
B12 kommt das Adenin vom ATP. SAM ist wichtig für die Aktivierung bzw. Inaktivierung vieler Stoffe im<br />
Körper (etwa35 Reaktionen).<br />
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Chemotherapeutische Agentien<br />
Zytostatika stören Stoffwechselvorgänge, die in Zusammenhang mit Zellproliferation stehen. Schnell<br />
wachsende Zellen sind daher besonders beeinträchtigt. Da Tumorzellen hier sehr sensibel reagieren,<br />
sind sie Targets für eine Therapie.<br />
Antimetabolite werden als falsche Basen in die DNA/RNA eingebaut und verhindern somit eine korrekte<br />
Zellteilung und funktionierenden Stoffwechsel. Nebenwirkungen sind Übelkeit, Anämie und<br />
Nierenschäden. Viele Krebsarten (solid und liquid) werden mit Antimetabolite behandelt.<br />
� Folsäureantagonist: Methotrexat<br />
� Pyrimidin-Analoga: Capecitabin<br />
� Purin-Analoga: 6-Thioguanin<br />
Abbau von Pyrimidinen<br />
Ausgangspunkt ist Thymin. Eine Dehydrogenase reduziert es zum Intermediat Dihydrothymin.<br />
Wassereinlagerung löst die Ringstruktur auf. Eine weitere Wassereinlagerung entfernt einen NH4 + und<br />
HCO3 - . Eine Aminotransferase entfernt den verbleibenden N-Terminus und es entsteht Methylmalonylsemialdehyd.<br />
Abbau von Purinen<br />
AMP wird in Adenosin umgewandelt. Eine Desaminase entfernt eine Aminogruppe und wir haben den<br />
Ausgangsstoff Inosin. Der Zucker wird entfernt und wir erhalten Hypoxanthin. Eine Oxidase oxidiert das<br />
Hypoxanthin zu Xenthin. Xenthin ist auch ein Zwischenprodukt beim Abbau von GMP. Guanosin verliert<br />
durch eine Desaminase eine Aminogruppe und es entsteht Xenthin. Xenthin wird nun oxidiert und<br />
Harnsäure entsteht.<br />
� ein Nebenprodukt beim Abbau ist Urat, was mit Urin ausgeschieden wird. Bei neutralem pH ist<br />
Na-Urat die vorherrschende Form, welche besser löslich ist als Harnsäure. Ist die<br />
Serumkonzentration zu hoch, herrscht Hyperurikämie oder Gicht.<br />
� Na-Urat Kristalle greifen Gelenke und Nieren an<br />
Hyperurikämie<br />
� Primäre Hyperurikämie: Störung der Harnsäureausscheidung, selten erhöhte Harnsäurebildung<br />
� Sekundäre Hyperurikämie: vermehrter Harnsäureanfall, verminderte Harnsäureausscheidung<br />
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10. Gluconeogenese und Aminosäurensynthese<br />
Gluconeogenese<br />
Die Gluconeogenese ist ein Prozess in der Leber, bei dem aus Pyruvat wieder Glukose hergestellt wird.<br />
Die Zuckerversorgung täglich kommt aus drei unterschiedlichen Orten:<br />
� Nahrung<br />
� Glycogen<br />
� Gluconeogenese<br />
Während bei den Stoßzeiten (Früh, Mittag, Abend) die Nahrung als Zuckerspender fungiert, so greifen<br />
die anderen beiden, etwa in der Nacht, ein, um das Blut mit Zucker zu versorgen.<br />
Tiere sind dazu in der Lage, Pyruvat in Phosphoenol-Pyruvat umzuwandeln. Dieses kann schließlich in<br />
verschiedene Zucker-Moleküle wie Glycogen, Stärke oder Disaccharide weiterkatalysiert werden.<br />
Pflanzen und photosynthetisch-aktive Bakterien können aus CO2-Fixierung auch Zucker machen.<br />
In der Gluconeogenese findet in den Mitochondrien dazu eine Umgehungsreaktion statt. Pyruvat wird<br />
unter Energieverbrauch carboxyliert und es entsteht Oxalacetat. Durch Reduktion entsteht Malat.<br />
Außerhalb der Membran wird wieder zu Oxalacetat oxidiert. Unter Abspaltung von CO2 und einem<br />
Phosphat von GTP entsteht nun Phosphoenol-Pyruvat.<br />
Gluconeogenese im Detail<br />
Die Carboxylierung wird durch das Enzym Pyruvat-Carboxylase betrieben. Die Carboxyl-Gruppe<br />
stammt von N-Carboxybiotin, was für die Reaktion essentiell ist. Das entstandene Oxalacetat<br />
wird nun durch die Malat-Dehydrogenase reduziert (Oxalacetat kann nicht durch die<br />
mtMembran diffundieren!). Durch einen Antiporter wird das Malat aus der Matrix transportiert.<br />
Im Cytosol wird anschließend wieder oxidiert.<br />
Die PEP-Carboxykinase entfernt die das CO2 wieder unter Verbrauch von Energie (GTP → GDP).<br />
Produkt ist Phosphoenol-Pyruvat.<br />
Das Phosphoenol-Pyruvat wird nun in die umgedrehte Glykolyse eingeschleust und geht den<br />
exakt selben Weg, den Glukose in Richtung Pyruvat gehen würde, nur eben umgekehrt (eine<br />
Ausnahme stellt die Umwandlung zu Fructose-6-Phosphat dar). Im letzten Schritt haben wir<br />
Glucose-6-Phosphat. In der ER-Membran sitzt die G6-Phosphatase, die das C6-Phosphat<br />
entfernt. Dabei wird das G6P in das Lumen aufgenommen. Zusammen mit dem Pi verlässt die<br />
Glukose das ER und verlässt die Zelle über GLUT2.<br />
Precursors der Gluconeogenese<br />
Laktat, Alanin und andere Aminosäuren können zu Pyruvat umgewandelt werden. Propionyl-CoA kann<br />
über Intermediate (z.B. Succinyl-CoA) direkt zu Oxalacetat werden. Aber manche Stoffe steigen erst viel<br />
später ein: Glycerol wird phosphoryliert und zu Dihydroxyacetonphosphat, dem Spaltprodukt der<br />
Aldolase in der Glykolyse.<br />
� Weitere Aminosäuren: Cystein, Glycin, Serin, Tryptophan, Methionin, Valin etc.<br />
� Leucin und Lysin können keinen Kohlenstoff bereitstellen!<br />
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Geradkettige Fettsäuren<br />
Bei ihrem Abbau entsteht kein Oxalacetat und sie tragen somit nicht zur Gluconeogenese bei. Die<br />
Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA katalysiert, wobei für jeweils zwei Kohlenstoffatome zwei Kohlendioxide<br />
abgegeben werden. Jene sind wichtig für die Carboxylierung <strong>des</strong> Pyruvats. Grundsätzlich<br />
entsteht bei ihrer Oxidation allerdings enorm viel Energie (NADH, ATP, GTP).<br />
Glycerin-Verwertung<br />
Glycerin bleibt zurück, nachdem Triacylglycerine in Richtung Acetyl-CoA oxidiert werden. Durch eine<br />
Kinase entsteht Glycerin-3-Phosphat, welches wiederum durch eine Dehydrogenase zu dem oben<br />
genannten Zwischenprodukt Dihydroxyacetonphosphat wird.<br />
Der Cori-Zyklus<br />
Die Gluconeogenese findet in der Leber statt. Dies ist ein „Ausgleichsakt“, um die metabolische Last<br />
aufzuteilen. Glucose wird in Muskeln glykolysiert und es wird Pyruvat gewonnen. Da recht schnell<br />
sauerstoffarme Zustände bei Muskelarbeit erreicht werden, wird aus dem Pyruvat Laktat. In der Leber<br />
wird das Laktat dann wieder in Pyruvat umgewandelt. Über den Cori-Zyklus sind auch die Glykogen-<br />
Reserven in Muskel und Leber miteinander verbunden.<br />
Wichtig: in älteren Lehrbüchern findet man immer wieder Aussagen, dass im Zuge von<br />
Muskelarbeit Laktat entsteht und das dieses eine Laktat-Acidose auslöst. Die Acidose wiederum<br />
schädigt die Muskel, was mit Leistungsverringerung assoziiert wurde. Tatsächlich hält das Laktat<br />
allerdings die Acidose zurück, da bei seiner Bildung zwei Protonen aufgenommen werden. Die<br />
Acidose bei Muskelarbeit entsteht unter anderem durch hohe Mengen von ATP-<br />
Hydrolysierungen, bei denen jeweils ein Proton abgespalten wird.<br />
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Biosynthese von Aminosäuren<br />
� wir synthetisieren ca. 300g/Tag<br />
� nicht-essentielle AS werden als Zwischenprodukt <strong>des</strong> ox. Katabolismus hergestellt<br />
� Bestandteile: H, O, N, C, S, Se<br />
� Das C-Gerüst stammt aus Glykolyse, Citratzyklus und Pentosephosphatweg<br />
� Es gibt 6 biosynthetische Familien:<br />
Biosynthese von Aminosäurederivaten<br />
� Synthese von Phospholipiden (z.B. Phosphatidylserin)<br />
� Intrazelluläre Botenstoffe (z.B. NO)<br />
� Energieträger (z.B. Kreatinphosphat)<br />
� synaptische Erregung (z.B. Glycin, Glutamat)<br />
� Precursors für biogene Amine (Hormone, Neurotransmitter)<br />
Beispiele für Syntheseprodukte<br />
� Glycin → Porphyrin-Ring in Hämoglobin<br />
� Tyrosin → Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin (in der selben Reihenfolge)<br />
� Glutamat → GABA (γ-Aminobutyrat)<br />
� Histidin → Histamin<br />
� Tryptophan → Serotonin<br />
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11. Biosynthese von Lipiden<br />
Aufgabe der Lipide<br />
� Energiespeicher (Triglyceride)<br />
� Zellmembran<br />
� Pigmente (Retinal, Carotin)<br />
� Cofaktoren (z.B. Vitamin K)<br />
� Detergenzien (Gallensalze)<br />
� Hormone (Vitamin D-Derivate, Sexualhormone)<br />
� Botenstoffe (Eicosanoide)<br />
� Anker in Lipidmembranen (Phosphatidylinositol)<br />
� Elektronen-Carrier<br />
� Signaltransduktion<br />
Fettsäuresynthese<br />
Acetyl-CoA, welches aus Pyruvat und anderen Substanzen gewonnen wird, kann vielfältig modifiziert<br />
werden und in unterschiedliche Endprodukte umgewandelt werden. Durch den Citrat-Zyklus wird es zu<br />
Citrat, was es ihm ermöglicht, das Mitochondrium zu verlassen. Im Cytosol kann es dann weiterverwendet<br />
werden.<br />
Im ersten Schritt wird es zu Malonyl-CoA umgewandelt. Katalysiert wird die Reaktion durch die Acetyl-<br />
CoA-Carboxylase. Dieses Enzym besteht aus drei Untereinheiten, der Biotin-Carboxylase, der Transcarboxylase<br />
und dem Biotin-Carrier-Protein. Die Biotin-Carboxylase aktiviert CO2, in dem sie es an einen<br />
Stickstoff <strong>des</strong> Biotinrings anhängt. Das Biotin ist vom Carrier-Protein im Zentrum gebunden. Die CO2-<br />
Aktivierung ermöglicht der Transcarboxylase es auf ein ankommen<strong>des</strong> Acetyl-CoA zu übertragen. Es<br />
entsteht Malonyl-CoA.<br />
Regulation<br />
Sinkt der Gehalt von AMP oder Palmityl-CoA an, so phosphoryliert eine Kinase die Carboxylase in<br />
einen inaktiven Zustand. Sinkt der Glucagon oder Adrenalin-Gehalt wiederum, bzw. steigt<br />
Insulin, so wird die Carboxylase durch eine Phosphatase wieder aktiviert.<br />
Es erfolgt eine Verlängerung von Fettsäuren, wobei die Reaktion von einer Fettsäure-Synthase<br />
katalysiert wird. Die Synthase hat mit zwei Schwefeln jeweils eine Bindungsstelle für Fettsäuren. Am<br />
längeren Ast bindet das synthetisierte Malonyl-CoA und am kürzen Ast bindet eine Acylgruppe. Die<br />
Acylgruppe soll verlängert werden, weshalb die erste bindende Acylgruppe eigentlich eine Acetylgruppe<br />
ist. Unter Abspaltung von CO2 (Donor ist die Malonylgruppe) werden Malonyl und Acetylgruppe<br />
zusammenkondensiert. Die Acylgruppe hat somit zwei weitere Kohlenstoffatome (Anmerkung: bei<br />
ungeradkettigen Fettsäuren würden Kohlendioxide für die Pyruvat-Carboxylierung anfallen!).<br />
Es gilt nun, die Doppelbindung zu entfernen. Es erfolgt die erste Reduktion, wobei der Ketonkörper zum<br />
Alkohol wird. Eine Dehydratisierung entfernt die OH-Gruppe und hinterlässt eine Doppelbindung<br />
zwischen zwei C-Atomen. Eine weitere Reduktion entfernt auch diese und hinterlässt ein gesättigtes<br />
Kohlenstoffgerüst. Das CoA wird im Übrigen anfangs von einer Transferase entfernt. Die Schritte werden<br />
nun solange wiederholt (es binden stets neue Malonyl-CoAs) bis das Produkt, C16-Fettsäure Palmitat<br />
entsteht.<br />
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Fettsäure-Synthase im Detail<br />
Der riesige Enzymkomplex besteht neben seinen beiden Schwefel-Bindungsstellen aus 5<br />
anderen (in Summe also 7) Untereinheiten:<br />
� Transacylase: entfernt das Coenzym-A<br />
� ACP (Acyl-Carrier-Protein): bindet Malonyl-CoA<br />
� CE (Condensing Enzyme): kondensiert Malonyl und Acetyl<br />
� Ketoacyl-Reduktase: reduziert das Keton zum Alkohol<br />
� Dehydratase: entfernt die OH-Gruppe<br />
� Enoyl-Reduktase: entfernt die verbleibende Doppelbindung<br />
� Thioesterase: für die Veresterung verantwortlich<br />
Bei den zwei Reduktionen werden die Elektronen von den Reduktionsäquivalenten NADPH<br />
geliefert<br />
NADPH-Synthese<br />
Die Reduktionsäquivalente NADPH ist ein Derivat <strong>des</strong> NADs. Allgemein kann man sagen, dass NAD für<br />
Redox-Reaktionen <strong>des</strong> Anabolismus (z.B. Glykolyse aber auch Gluconeogenese) verwendet wird und<br />
NADP für katabolische Prozesse, wie eben die Fettsäuresynthese. Es kann über zwei Wege mit<br />
Elektronen beladen werden. Im ersten Weg nimmt NADP + das durch die Oxidation abfallende Proton bei<br />
der Reaktion von Pyruvat zu Malat auf und es wird zu NADPH. Der andere Weg ist der<br />
Pentosephosphatweg, bei der Glucose-6-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat umgewandelt wird. Hier<br />
entstehen zwei Moleküle NADPH.<br />
Allgemeine Punkte zur Wiederholung<br />
� Malonyl-CoA kann in Mitochondrien, Peroxisomen und Cytosol entstehen<br />
� Neben seiner Funktion als Intermediat fungiert Malonyl-CoA auch als allosterischer Inhibitor<br />
Speicherung von Triacylglycerin (zwei Wege)<br />
Die Fettsäuren werden in dieser Form in Adipocyten gespeichert. Wichtig ist, dass die drei Fettsäuren<br />
unterschiedlich sind. Gebundene Fettsäuren verlieren ihre polare Carboxylgruppe. Die Fettsäure ist<br />
daher schlecht löslich, da keine Polarität mehr herrscht. Das ist der Grund, warum sie in Adipocyten<br />
gespeichert werden.<br />
In den meisten Fällen fallen auf zwei gesättigte Fettsäuren eine ungesättigte Fettsäure, damit<br />
wenigstens ein Bisschen Hydratisierungspotential herrscht. Drei gesättigte FAs wären so zäh wie Wachs,<br />
während mehr als eine ungesättigte FA ein zu flüssiges TAG produzieren würde.<br />
1. Umwandlung von Fettsäuren im Cytoplasma<br />
Spielt die wesentlich größere Rolle. Fettsäuren kommen in Lipoproteinen in der Ernährung vor.<br />
Diese können aber aufgrund ihrer Größe nicht durch die Kapillaren diffundieren. Die Adipocyten,<br />
die auf die TAGs angewiesen sind, setzen <strong>des</strong>halb Lipoprotein Lipasen ein (Enzymaktivität wird<br />
durch Insulin stimuliert). Diese werden ans Endothelgewebe abgegeben, wo sie die LPs<br />
hydrolysieren. Durch Diffusion gelangen die Fettsäuren nun durch die Kapillaren zu den an<br />
Albumin-gebundenen Adipocyten.<br />
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Die Fettsäuren werden im inneren der Adipocyten zu TAGs verestert. Zuerst erhalten sie ein<br />
CoA. Anschließend wird das Intermediat an Glycerol-3-Phosphat (entsteht aus einem Glykolyse-<br />
Zwischenprodukt) verestert.<br />
Die Lipasen werden, wie schon erwähnt, durch Insulin „aktiviert“. Die Aktivierung ist allerdings<br />
nicht auf enzymatischer sondern auf genetischer Ebene; Insulin erhöht die Genexpression der<br />
Enzyme. Daher ist die Anpassung ein längerer Prozess (3 bis 4 Stunden).<br />
2. de novo Lipogenese (Fettsäuresynthese; siehe oben)<br />
Die Lipogenese wird ebenfalls vom Insulin stimuliert. Es werden Fettsäuren produziert, die<br />
schließlich in Adipocyten wandern. Hier wird dann zu TAGs verestert.<br />
Gewebshormone<br />
Prostaglandine gehören zu den Eicosanoiden (Gewebshormone) und entstehen als Derivate der<br />
Arachidonsäure. Aus der Fettsäure kann über eine Prostaglandin-Synthase Prostaglandin entstehen.<br />
Anschließend kann u.a. zu Prostacyclin oder Thromboxan differenziert werden. Eicosanoide sind<br />
wichtige Entzündungs- und Schmerzmediatoren. Prostaglandine greifen in Signalwege ein, spielen in<br />
Muskelkontraktur und Schlaf/Wach-Zyklus eine Rolle. Thromboxane sind für die Blutgerinnung wichtig.<br />
Leukotriene bewirken Hyperreaktivität der Lunge (wichtig bei z.B. Asthma).<br />
� ω-3-Fettsäuren steigern die Synthese von Eicosanoiden<br />
Essentielle Fettsäuren<br />
Essentielle Fettsäuren sind Fettsäuren mit Doppelbindungen. Doppelbindungen bis zum C9-Atom<br />
können bei Säugern selbst vorgenommen, alle anderen müssen über die Nahrung aufgenommen<br />
werden. Ein Beispiel für eine nicht-essentielle Fettsäure mit Doppelbindung ist Oleyl-CoA. Diese FA<br />
entsteht durch den Einbau einer Doppelbindung durch eine Desaturase.<br />
Beispiele für essentielle Fettsäuren sind Linol- und α-Linolensäure (auch als Linolat und Linolenat<br />
bezeichnet). Dabei handelt es sich um Derivate der Stearin-Säure (18:0). Linol-Säure (18:2) gehört zu den<br />
ω-6-Fettsäuren, was aussagt, dass vom ω-Ende die erste Doppelbindung ab 6. Kohlenstoff eingebaut<br />
wurde. Die α-Linolensäure (18:3) gehört zu den ω-3-Fettsäuren. Beide haben einen tieferen<br />
Schmelzpunkt als die Stearinsäure, da Doppelbindungen die London-Kräfte abschwächen.<br />
Therapeutische Einsatzgebiete<br />
Erkrankung Effekte<br />
Arthritis Verbesserung der Gelenkbeschwerden<br />
Psoriasis Rückgang <strong>des</strong> Juckreizes und Hautveränderungen<br />
Morbus Crohn Verbesserung der Gesamtsymptomatik<br />
Kardiovaskuläre Erkrankungen Antiarrhytmische Effekte, Verbesserung <strong>des</strong> Blutflusses<br />
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cis und trans Fettsäuren<br />
Ob Transfette ausschließlich negativ sind, ist nicht zweifelsfrei geklärt, allerdings ist bekannt, dass sie<br />
eine Reihe von negativen Eigenschaften aufweisen:<br />
� sie werden langsamer abgebaut als cis-Fette<br />
� reichern sich im Fettgewebe an<br />
� werden in Zellmembranen eingebaut<br />
� blockieren Enzyme und stören den Stoffwechsel der essentiellen Fettsäuren<br />
� verschlimmern Insulinresistenz (Diabetes-Risiko)<br />
� verschlechtern LDL zu HDL-Verhältnisse (Arteriosklerose-Risiko)<br />
� erhöhen Lysophosphatidat (Arteriosklerose-Risiko)<br />
� gehen in Muttermilch und stören die Entwicklung<br />
Cholesterin<br />
Cholesterin ist ein wichtiges Membranlipid (neben Glycerophospholipiden und Sphingolipiden). Es<br />
handelt sich um ein Sterol mit 4 Ringen und 27 C-Atomen. Eine OH-Gruppe bildet den hydrophilen<br />
Anteil. Es ist Ausgangsstoff für eine Reihe von Steroidhormonen (z.B. Cortisol) und Gallensalzen (z.B.<br />
Taurocholsäure). Steroide sind Sterolderivate.<br />
Cholesterin wirkt sich auf die Fluidität der Membran aus und bei lokalen Anhäufungen werden komplexe<br />
Prozesse wie Signaltransduktionen vereinfacht. Zusammen mit Proteinen und Sphingolipiden bilden<br />
Cholesterine sogenannte lipid rafts, die unter anderem die Fluidität der Membran koordinieren.<br />
Synthese<br />
Die Synthese umfasst drei Kompartimente der Zelle. Im Cytosol werden zwei Acetyl-CoA<br />
gebunden und von einer ER-membranständigen Reduktase zu Mevalonat umgewandelt. Über<br />
ein Transportprotein wird das Intermediat in die Peroxisomen importiert. Durch mehrere<br />
Reaktionsschritte entsteht hier Farnesyl-Pyrophosphat. Es folgt ein Transport zum ER, wo<br />
weitere Reaktionen statt finden. Schließlich entsteht die C30-Einheit Squalen. Dies wird<br />
weitersynthetisiert zu Cholesterin.<br />
Statine fungieren als Inhibitoren der Cholesterin-Synthese. Sie hemmen die HMG-CoA-<br />
Reduktase am ER.<br />
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12. Koordination <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong> in Säugetieren<br />
Grundstrategien <strong>des</strong> Metabolismus (Wiederholung)<br />
ATP<br />
� universelle Energiewährung<br />
� hohes Gruppenübertragungspotential<br />
� kann thermodynamisch ungünstige Reaktionen günstiger werden lassen<br />
� wichtiger allosterischer Effektor<br />
� entsteht aus Oxidation von Brennstoffmolekülen (Glukose, Fettsäuren, Aminosäuren)<br />
� Glykolyse liefert nur zwei ATPs<br />
NADPH<br />
� Reduktionsäquivalente<br />
� Wichtigster Elektronen-Donor bei reduktiven Biosynthesen<br />
Strategien der Stoffwechselregulation<br />
Allosterische Wechselwirkungen und kovalente Bindungen<br />
Unter Allostere bezeichnet man die Bindung von Cofaktoren, die nicht das Substrat sind, die allerdings<br />
die Enzymfunktion aktivieren oder verstärken. Sie sind meist bei irreversiblen Reaktionen anzutreffen<br />
(z.B. PFK-1 bei Glykolyse). Kovalente Bindungen: Phosphorylierung, Adenylierung, Methylierung<br />
Kompartimentierung<br />
Verschiedene biologische Prozesse finden sich in verschiedenen zellulären Kompartimenten:<br />
� Mitochondriale Matrix: β-Oxidation, TCA, oxidative Phosphorylierung<br />
� ER: Lipidsynthese, Biotransformation, AS-Oxidation, Steroidabbau, Proteinbiosynthese<br />
� Cytosol: Glycolyse, Pentosephosphatweg, Fettsäuresynthese<br />
� Peroxisomen: Fettsäureabbau, Gallensäuresynthese<br />
� Harnstoffzyklus und Gluconeogenese werden auf mehrere Kompartimente verteilt<br />
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Schlüsselenzyme für das Zusammenspiel verschiedener Stoffwechselwege<br />
� Glykolyse: die Phosphofructokinase wird durch die hohen Mengen anfallendem Citrat und ATP<br />
gehemmt, was bedeutet, dass bei aeroben Bedingungen weniger Kohlenstoff verbraucht wird<br />
(Pasteur-Effekt)<br />
� Pentosephosphatweg: das Substrat ist Glucose-6-Phosphat. Bei wenig glykolytischer Aktivität<br />
gibt es daher wenig Substrat. G6P ist ein Knotenpunkt zwischen Glucose und Pyruvat<br />
(Glykolyse), Glykogen (Glykogensynthese) und Ribose-5-phosphat (Pentosephosphatweg).<br />
� Fettsäuresynthese: ACC wird durch Citrat aktiviert und durch Palmityl-CoA gehemmt<br />
Knotenpunkte<br />
Wie schon erwähnt, so ist Glucose-6-Phosphat ein wichtiger Knotenpunkt. Wird es in Richtung Glykolyse<br />
verwendet, entsteht Pyruvat, ein weiterer wichtiger Knotenpunkt. Das Pyruvat kann in Laktat (Brücke<br />
zum Cori-Zyklus) oder Alanin (AS-Stoffwechsel) umgewandelt werden. Bei der Umformung zu Oxalacetat<br />
wird es für die Gluconeogenese eingesetzt. Oder aber es wird zu Acetyl-CoA, ein weiterer wichtiger<br />
Knotenpunkt.<br />
Acetyl-CoA kann in Richtung Cholesterin wandern oder im Citrat-Zyklus zu Fettsäuren umgewandelt<br />
werden. Die Fettsäuren können durch die β-Oxidation aktiviert werden und wiederum als aktiviertes<br />
Acetyl-CoA in Richtung Ketonkörper wandern.<br />
Metabolische Wechselbeziehungen zwischen Organen<br />
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Die Stoffwechselprofile von Gehirn, Muskulatur, Fettgewebe und Leber<br />
Gehirn<br />
Mit Ausnahme von langen Hungerperioden verfügt das Gehirn über eine einzige Brennstoffquelle*,<br />
nämlich die Glucose. Aus diesem Grund muss es ständig versorgt werden (120 g täglich, wovon 60%<br />
allein im Gehirn verbraucht werden). Nähert sich der Glucosespiegel dem KM-Wert der Hexokinase an,<br />
wird die Glykolyse verlangsamt.<br />
* 2003 erschien eine Arbeit bezüglich Gehirnforschung. Die Forscher sagen aus, dass im Gehirn<br />
20% der Energie durch die Oxidation von Fettsäuren stammt. Die Fettsäuren durchqueren die<br />
Blut/Hirn-Schranke über das Transportprotein Albumin.<br />
Im Hungerzustand ersetzen Ketonkörper teilweise die Glukose als Energielieferant. Acetoacetat erhält<br />
von Succinyl-CoA das Coenzym-A und wird von einer Thiolase in zwei Moleküle Acetyl-CoA aufgespalten.<br />
Muskulatur<br />
Die wichtigsten Brennstoffe sind Glukose, Fettsäuren und Ketonkörper. Im Gegensatz zum Gehirn sind<br />
Muskeln in der Lage, Glukose in Form von Glykogen zu speichern. Drei Viertel <strong>des</strong> gesamten Vorrats an<br />
Glykogen finden sich in der Muskulatur. Weder Gehirn noch Muskel verfügen über die Glucose-6-<br />
Phosphatase, daher findet hier keine Gluconeogenese statt. Die Glykolyse im aktiven Muskel ist<br />
erheblich schneller als der Citratzyklus. Das angesammelte Pyruvat kann daher nicht rechtzeitig in<br />
Acetyl-CoA verstoffwechselt werden und wird daher zu Laktat reduziert. Dieses kann entweder über den<br />
Cori-Zyklus zur Leber transportiert werden oder über slow-twitch fibers zu Pyruvat reoxidiert werden.<br />
Durch die Transminierung von Pyruvat entsteht auch Alanin. Dieses wird ebenfalls zur Leber<br />
transportiert (Cori-Zyklus).<br />
Im ruhenden Muskel werden hauptsächlich die Fettsäuren verbrannt. Die Ketokörper werden den<br />
Fettsäuren allerdings vorgezogen.<br />
PEPCK-C mus Maus<br />
Hierbei handelt es sich um eine transgene Maus, bei der die Aktivität der Phosphoenolpyrovat-<br />
Carboxykinase erhöht wurde. Das Resultat ist länger anhaltende Fertilität und höhere Leistung in<br />
körperlicher Aktivität. Die Zellen verfügen über mehr Mitochondrien, wodurch der Stoffwechsel<br />
enorm erhöht wird.<br />
Fettgewebe<br />
Die in Adipocyten gespeicherten TAGs sind enorme Energievorräte. Die Zellen sind auf die FA-<br />
Veresterung bzw. Freisetzung von FAs aus TAGs spezialisiert. Die Leber ist der Hauptort der Fettsäuresynthese,<br />
wobei die wichtigste Aufgabe die Aktivierung der Fettsäuren darstellt. Glycerin-3-<br />
Phosphat stammt aus der Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat und wird für die Lagerung der<br />
Fettsäuren benötigt. Da Fettzellen nicht die notwendige Kinase exprimieren können, beziehen sie ihr<br />
Glycerin aus der Glykolyse.<br />
Über Lipasen werden die Triacylglyceride hydrolysiert, wobei die nicht mehr benötigten Glycerin-<br />
Gerüste an die Leber abgegeben werden.<br />
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Glyceroneogenese<br />
Bei diesem Vorgang wird 3-Glycerolphosphat durch eine verkürzte Gluconeogenese synthetisiert. Dieser<br />
Weg findet sich in weißem und braunem Fettgebe und in der Leber. Die Glyceroneogenese ist<br />
Voraussetzung für das Recycling der Fettsäuren, die bei der Lipolyse frei werden. Für die Geschwindigkeit<br />
der Umsetzung ist die schon vorher erwähnte cytosolisch-angesiedelte PEPCK-C zuständig.<br />
Wo findet sie statt?<br />
Die Glyceroneogenese kommt im weißen und im braunen Fettgewebe als auch in der Leber vor.<br />
In letzterer werden etwa 40% der aufgenommenen Fettsäuren zu Ketonkörper verarbeitet. Die<br />
restlichen 60% werden zu Triglyceriden verestert, in VLDL-Proteine verpackt und an die<br />
Peripherie weitergereicht. Die Leber spielt daher in diesem Triglycerid/Fettsäure-Zyklus (TG-FA<br />
cycle) eine entscheidende Rolle. Auch im Dünndarm findet die Glyceroneogenese statt.<br />
Wann findet sie statt?<br />
Grundsätzlich findet sie nach ausreichender Nahrungszufuhr, vereinzelt aber auch bei<br />
Hungergefühl statt. Nach einer Mahlzeit gibt es eine intensive Triglyceridsynthese unter<br />
Verwendung <strong>des</strong> aus der Glykolyse-stammenden 3-P-Glycerols. Der Prozess wird durch<br />
Insulinausschüttung induziert. Da der TG-FA-Zyklus kontinuierlich laufen muss und veresterte<br />
Fettsäuren als Treibstoff benötigt, findet die Glyceroneogenese auch beim Hungerzustand statt.<br />
Leber<br />
Die Leber trägt eine sehr wichtige Rolle, da die meisten resorbierten Stoffe aus der Verdauung zuerst<br />
über die Leber wandern. Diese kontrolliert daher die Menge an Metaboliten, die in den Blutkreislauf<br />
abgegeben werden. Sie kann große Mengen von Glukose aufnehmen und als Glykogen speichern. Eine<br />
Mobilisierung <strong>des</strong> Glykogenvorrats ermöglicht, dass das Blut mit Brennstoff versorgt wird.<br />
Weiters kontrolliert die Leber den Lipidstoffwechsel. Sind reichlich Brennstoffe vorhanden, synthetisiert<br />
die Leber Fettsäuren, verestert sie und gibt sie in Form von VLDL (very low density lipoprotein) an das<br />
Blut ab. Bei Hunger werden werden die Fettsäuren statt<strong>des</strong>sen in Ketonkörper verwandelt.<br />
Die Eigenversorgung kommt durch den Abbauprodukten der Aminosäuren: Ketosäuren. Die Glykolyse<br />
selbst dient in erster Linie zur Gewinnung von Knotenpunkten (siehe oben). CoA-gebundene Substanzen<br />
werden auch eher weitergereicht, da die Leber über wenige CoA-Transferasen verfügt.<br />
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Hormone als Regulatoren <strong>des</strong> Energiestoffwechsels<br />
Viele Stoffwechselprozesse werden durch Hormone gesteuert. Die wichtigsten Vertreter sind Insulin,<br />
Glucagon und Adrenalin. Insulin wird ausgeschüttet, wenn der Blutzuckerspiegel steigt (nach<br />
Nahrungsaufnahme), während Glucagon ausgeschüttet wird, wenn der BZS sinkt. Ausgeschüttetes<br />
Insulin bewirkt im Muskel eine gesteigerte Glykolyse; der Zucker muss verbraucht werden. Glucagon<br />
wiederum induziert die Gluconeogenese in der Leber; der Körper braucht neuen Treibstoff.<br />
Adrenalin<br />
In Stresssituationen ausgeschüttet, hat Adrenalin eine entscheidende Wirkung auf die Muskulatur und<br />
Leber. Es gehört zu den Katecholaminen und hat eine ähnliche Wirkung wie Glucagon; die Leber gibt<br />
mehr Glucose ab und die Glykolyse im Muskel wird heruntergedrosselt. Sie werden vom Nebennierenmark<br />
ausgeschieden, wenn der Blutzuckerspiegel sinkt (Hypoglykämie). Wie auch Glucagon<br />
stimulieren sie die Glykogen- und TAG-Mobilisierung durch Auslösen einer cAMP-Signalkaskade. Im<br />
Gegensatz zum Glucagon haben sie eine größere Wirkung im Muskel als in der Leber.<br />
Regulation <strong>des</strong> Blutglucose-Spiegels<br />
Vor Mahlzeiten liegt der Blutzuckerspiegel meist bei 80 mg/100 ml, nach Mahlzeiten bei 120 mg/100 ml.<br />
Trotz der großen Schwankungen wird er relativ konstant gehalten. Dies ist auf drei Faktoren<br />
zurückzuführen:<br />
1. Mobilisierung von Glykogen und Freisetzung von Glukose durch die Leber<br />
2. Freisetzung von Fettsäuren im Fettgewebe<br />
3. Muskel und Leber verwenden Fettsäuren statt Glukose als Brennstoff<br />
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Anpassungen <strong>des</strong> <strong>Stoffwechsels</strong> an lange Hungerperioden<br />
Die Kohlenstoffreserven sind bereits nach einem Tag Fasten erschöpft, jedoch ermöglichen die in<br />
Adipocyten gespeicherten Energiedepots das Überleben einer monatelangen Hungerperiode. Die<br />
wichtigste Stoffwechselumstellung kommt nach drei Tagen, wenn die Leber große Mengen von<br />
Acetoacetat und 3-Hydroxybutyrat ansammelt. Der TCA kann nicht alle Acetyleinheiten oxidieren, die<br />
durch den Fettsäureabbau entstehen. Durch die Gluconeogenese kommt es zum Oxalacetat-Mangel. Die<br />
Leber wirkt dem entgegen, in dem sie Ketonkörper produziert. Diese versorgen das Gehirn und das Herz.<br />
Nach mehreren Wochen <strong>des</strong> Hungers benötigt das Gehirn dann weniger Glukose. Da bei Nahrungsmangel<br />
Muskelprotein abgebaut wird, muss auch hier eine Mengenregulation greifen; nach mehreren<br />
Wochen werden nur mehr 20g pro Tag benötigt.<br />
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