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Biochemie: Glykolyse, Glukoneogenese und Krebs-Zyklus

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Biochemie und Krebs-Zyklus

Glykolyse

(ATP-Aufwand / Vorbereitungsphase):

  1. Phosphorylierung: Glucose + ATP —(Hexokinase)→ ADP + Glucose-6-phosphat (Glu-6-P)
  2. Glu-6-P ⇄ (Phosphohexose-Isomerase) ⇄ Fructose-6-phosphat (Fru-6-P)
  3. Phosphorylierung: Fru-6-P + ATP —(PFK-1)→ Fructose-1,6-bisphosphat (Fru-1,6-BP) + ADP
  4. Fru-1,6-BP ⇄ (Aldolase) ⇄ Glycerinaldehyd-3-phosphat (GA3P / Glicerald-3-P) + Dihydroxyacetonphosphat (DHAP)
  5. Dihydroxyacetonphosphat ⇄ (Triosephosphat-Isomerase) ⇄ GA3P

(Energieertrag / Ertragsphase):

  1. GA3P + NAD+ + Pi —(GA3P-DH)→ 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) + NADH + H+
  2. Dephosphorylierung: 1,3-BPG + ADP ⇄ (Phosphoglyceratkinase) ⇄ 3-Phosphoglycerat (3-PG) + ATP
  3. Isomerisierung: 3-PG ⇄ (Phosphoglyceratmutase) ⇄ 2-Phosphoglycerat (2-PG)
  4. 2-PG ⇄ (Enolase) ⇄ Phosphoenolpyruvat (PEP) + H2O
  5. Dephosphorylierung: PEP + ADP —(Pyruvatkinase)→ Pyruvat + ATP

Leistung / Ausbeute

2 NADH, 2 ATP (über die Elektronentransportkette / Atmungskette: → 3 ATP / H+).
Pyruvat erfährt eine oxidative Decarboxylierung, verliert CO2 und Elektronen (e-), wodurch NAD+ zu NADH + H+ reduziert wird. Es bindet 1 CoA-SH und bildet Acetyl-CoA durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase (Pyruvat-DH), welches in den Krebs-Zyklus eintritt.

Regulation der Glykolyse

  • Schritte 1, 3, 10
  • Hexokinase: wird durch Glucose-6-phosphat (G6P) im Muskel gehemmt.
  • PFK-1: wird gehemmt durch hohe Konzentrationen [ATP] (wenn reichlich vorhanden ist, muss keine Energie generiert werden) und hohe Konzentrationen [Citrat] (Citratzyklus zeigt an, dass kein Pyruvat benötigt wird); wird aktiviert durch niedrige ATP- bzw. hohe AMP-Konzentrationen sowie ADP (signalisiert Energiemangel, um die Glykolyse anzutreiben).
  • Pyruvatkinase (PK): wird gehemmt durch ATP und Acetyl-CoA; wird aktiviert durch Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP).

Glukoneogenese

Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels durch Umwandlung von Pyruvat-Molekülen in Glucose. Biosynthese von Glucose ausgehend von Laktat, Aminosäuren (z. B. Alanin), Propionat und Glycerin (zu 90 % in der Leber, zu 10 % in der Niere).
Reaktionsbilanz: 2 Pyruvat + 6 NADH + 2 ATP + 4 H2O → Glucose + 6 ADP + 6 Pi + 2 NAD+

Glykogenolyse

Glykogen (12–18 Glucoseeinheiten) ermöglicht die Freisetzung von Glucose. Die Glykogenphosphorylase spaltet Glucoseeinheiten ab, bis 4 Glucose-Moleküle an der Verzweigungsstelle verbleiben. Die Glucantransferase überträgt 3 Glucose-Moleküle auf den Hauptstrang. Das Debranching-Enzym entfernt das verbleibende Glucose-Molekül der Verzweigung.

Regulation des Glykogenstoffwechsels

  • Glykogen-Synthase (Synthese): Synthase I (aktiv, dephosphoryliert, unabhängig von G6P) vs. Synthase D (weniger aktiv, abhängig von G6P).
  • Glykogenphosphorylase (Abbau): Phosphorylase a (aktiv, phosphoryliert) vs. Phosphorylase b (weniger aktiv, nicht phosphoryliert).
  • Adrenalin und Glukagon: aktivieren die Glykogenphosphorylase und inaktivieren die Glykogen-Synthase.
  • Insulin: inaktiviert die Glykogenphosphorylase und aktiviert die Glykogen-Synthase.

Krebs-Zyklus (Citratzyklus)

  • Der Prozess beginnt mit der Oxidation des Pyruvats unter Bildung von Acetyl-CoA und CO2.
  • Acetyl-CoA reagiert mit einem Molekül Oxalacetat (4C) in einer Kondensationsreaktion zu Citrat (6C).
  • Durch eine Reihe von Reaktionen wird Citrat wieder in Oxalacetat umgewandelt. Pro Zyklus wird 1 Acetyl-CoA verbraucht und es entstehen 2 CO2. Zudem werden 3 NAD+ und 1 FAD reduziert, wodurch 3 NADH + 3 H+ und 1 FADH2 entstehen.
  • Ergebnis pro Zyklus (pro Molekül Pyruvat): 1 GTP, 3 NADH, 1 FADH2, 2 CO2.
  • Pro Molekül Glucose (aus der Glykolyse) entstehen zwei Moleküle Pyruvat, die wiederum zwei Moleküle Acetyl-CoA liefern. Somit entstehen pro Molekül Glucose im Krebs-Zyklus: 2 GTP, 6 NADH, 2 FADH2, 4 CO2 (sowie Reduktionsäquivalente).

Regulation des Krebs-Zyklus

Citrat-Synthase, Isocitrat-Dehydrogenase (IsoCit-DH) und α-Ketoglutarat-Dehydrogenase werden durch hohe Konzentrationen [ATP] gehemmt.

Konvergierende Stoffwechselwege

Kohlenhydrate (Carbohydrate)

2. Etappe: Glykolyse → 2 Pyruvat → Transport in die mitochondriale Matrix, Bildung von Acetyl-CoA → Eintritt in den Krebs-Zyklus.

Proteine

Peptidbindungen werden im Verdauungstrakt durch Proteasen gespalten. Die resultierenden Aminosäuren gelangen in die Zellen für die Proteinsynthese oder Energiegewinnung im Krebs-Zyklus. Vor Eintritt in den Zyklus werden die Aminogruppen (terminal und lateral) durch Transaminasen (Aminotransferasen) und vor allem Desaminasen entfernt.

Lipide

Hydrolyse (Triglyceride) → Fettsäuren + Glycerin. In der Leber kann Glycerin über Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und GA3P in Glucose für die Glukoneogenese umgewandelt werden (anaboler Stoffwechselweg). Vor allem im Herzmuskel werden die Fettsäuren in der mitochondrialen Matrix durch aufeinanderfolgende Runden der β-Oxidation abgebaut, wodurch Acetyl-CoA freigesetzt wird, das in den Krebs-Zyklus eintritt. Bei ungeradzahligen Fettsäuren kann Propionyl-CoA (3C) entstehen, welches für die Synthese von Glucose in der Leber-Glukoneogenese genutzt werden kann.

Gesamtenergieausbeute

FINAL: 32 ATP mit Malat-Aspartat-Shuttle / 30 ATP mit Glycerin-3-Phosphat-Shuttle.

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