Stoffwechsel der Kohlenhydrate: Glykolyse und Glukoneogenese
Metabolismus der Kohlenhydrate: Glykolyse
Alle Kohlenhydrate, die mit der Nahrung aufgenommen werden, müssen zunächst in Monosaccharide umgewandelt werden. Dazu werden sie durch Enzyme aus dem Pankreas und den Speicheldrüsen verdaut, im Darm resorbiert, über das Blut verteilt und in der Leber metabolisiert bzw. umgewandelt. Die Leber verteilt anschließend Glukose im Körper.
Glykolyse
Bei der Glykolyse wird Glukose in Pyruvat (Brenztraubensäure) umgewandelt. Die Nettoreaktion lautet:
Glukose + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
Es handelt sich um einen sehr alten, energetischen Stoffwechselweg, der fundamental ist und in allen Zellen aller Lebewesen, eukaryotischer wie prokaryotischer, vorkommt. Die Glykolyse ist anaerob, das heißt, sie benötigt keinen Sauerstoff.
Die Glykolyse umfasst zehn reversible Reaktionen sowie drei irreversible Schritte: die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-Phosphat, die Umwandlung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat sowie die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat. Diese Schritte werden von Kinasen katalysiert und benötigen ATP.
Die Glykolyse ist mit anderen Stoffwechselwegen verbunden: Alle Kohlenhydrate, die in Monosaccharide umgewandelt werden, münden in Komponenten der Glykolyse. Auch die Glukoneogenese und der Abbau von Glykogen stehen mit ihr in Verbindung, ebenso der Fettsäurestoffwechsel.
In den Erythrozyten (roten Blutkörperchen) gibt es eine Variante: Zwischen 1,3-Bisphosphoglycerat und 3-Phosphoglycerat wird ein Nebenweg eingeschoben, bei dem der Zwischenstoff 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) entsteht. Dieser beeinflusst, wie das Hämoglobin Sauerstoff transportiert.
Reaktionen des Pyruvats
1. Pyruvat + CoA + NAD+ → Acetyl-CoA + CO2 + NADH (Pyruvatdehydrogenase-Komplex)
Diese Reaktion ist irreversibel, aerob (sie benötigt Sauerstoff) und findet in den Mitochondrien statt. Sie gilt als Eintrittsreaktion in den Citratzyklus (Krebs-Zyklus).
2. Pyruvat + NADH → Laktat + NAD+ (Laktatdehydrogenase, Milchsäuregärung). Diese Reaktion verhindert unter anaeroben Bedingungen die Blockierung der Glykolyse.
3. Pyruvat → (Decarboxylierung, Abspaltung von CO2, Pyruvatdecarboxylase) → Acetaldehyd → (Alkoholdehydrogenase, NADH → NAD+) → Ethanol (alkoholische Gärung).
Eliminierung von NH3: Harnstoffzyklus
Ammoniak (NH3) ist stark toxisch. Es reagiert mit Bicarbonat zu Carbamylphosphat (durch die Carbamylphosphat-Synthetase unter Verbrauch von 2 ATP-Molekülen). Carbamylphosphat bindet an Ornithin (durch die Ornithin-Carbamoyltransferase) zu Citrullin. Dieses verlässt die Mitochondrien und gelangt in das Zytoplasma. Dort reagiert es mit Asparaginsäure unter ATP-Verbrauch zu Argininobernsteinsäure, die zu Fumarat und Arginin gespalten wird. Arginin wird schließlich in Ornithin (das wieder in die Mitochondrien zurücktransportiert wird) und Harnstoff umgewandelt.
Harnstoff ist gut wasserlöslich und wird über den Urin entfernt. Er ist nicht giftig. Bei einer Störung der Nieren oder bei Dehydratation, etwa bei einem erhöhten Proteinstoffwechsel, kann die Harnstoffkonzentration steigen. Zur Diagnose wird sie zusammen mit Kreatinin bestimmt.
Wenn viel NH3 entfernt werden muss, läuft zusätzlich folgende Reaktion ab: α-Ketoglutarat + NH3 + NADH → Glutaminsäure + NAD+ (Glutamatdehydrogenase). Glutaminsäure + NH3 + ATP → Glutamin + ADP (Glutaminsynthetase). Ist der NH3-Spiegel niedrig, verläuft die Reaktion in umgekehrter Richtung, wodurch Glutamin wieder zu NH3 und α-Ketoglutarat abgebaut wird.
Citratzyklus (Krebs-Zyklus)
Der Citratzyklus ist eine Abfolge zyklischer Reaktionen, die von Enzymen in den Mitochondrien katalysiert werden. Seine Hauptaufgabe ist die Oxidation von Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen. Dabei entstehen reduzierte Coenzyme (NADH und FADH2) und CO2, das ausgeatmet wird. Die reduzierten Coenzyme werden über die Atmungskette, deren letzter Akzeptor Sauerstoff ist, und die oxidative Phosphorylierung zur Gewinnung von ATP genutzt.
Weitere Funktionen: Der Citratzyklus ist mit anderen Stoffwechselwegen verbunden und liefert Vorstufen für die Synthese von Glukose, Aminosäuren, stickstoffhaltigen Basen und Porphyrinen.
Energiebilanz eines Umlaufs: 3 NADH, 1 FADH2, 2 CO2, 1 GTP.
Unterschiedliche Reaktionen der Gluconeogenese: Substrate der Glykolyse und Glukoneogenese
Die Reaktionen der Glukoneogenese entsprechen denen der Glykolyse, mit Ausnahme der drei irreversiblen Schritte. Die Umgehungsreaktionen sind:
1. Pyruvat + ATP + CO2 → Oxalacetat (Pyruvatcarboxylase) → Oxalacetat + NADH → Malat (Malatdehydrogenase) → Malat + NAD+ → Oxalacetat (Malatdehydrogenase) → Oxalacetat + GTP → Phosphoenolpyruvat + CO2 (Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase).
Die drei irreversiblen Schritte der Glykolyse sind: die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-Phosphat, die Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat und die Bildung von Pyruvat aus Phosphoenolpyruvat.
Substrate der Glukoneogenese sind: Pyruvat, Laktat aus dem Muskel (Cori-Zyklus), Produkte des Lipidstoffwechsels (Fettsäuren, Glycerin zu Acetyl-CoA) sowie glukoneogenetische Aminosäuren, die über Zwischenprodukte in den Citratzyklus eingeschleust werden können (zum Beispiel Alanin und Glutamin).