Uebersicht des Glucose Metabolismus!

Zuckerstoffwechsel im Körper!

Zuckerspeicher (Glycogen)!Zuckeraufbau (Gluconeogenese)!

Zuckerabbau (Glycolyse)!

Hirngewebe!

Glycogen!

Glycogen kommt vor als intrazelluläre!Granula (100 - 400 A0 Durchmesser) mit!bis zu 120�000 Glucose Einheiten. Am häufigsten!zu finden in Leber- und Muskelzellen.!!Muskelzellen: ca. 1-2% Massenanteil Glycogen!Leberzellen: ca. 10% Massenanteil Glycogen!!

Unter Glucoseüberschuss wird Glycogen synthetisiert und bei Mangel wird es !wieder abgebaut. !

Glycogen!

Glycogen ist ein Polymer aus Glucosebausteinen, die über eine α (1 -> 4) glycosidische Bindung miteinander verbunden sind. Das Polymer ist aber nicht ein einziges lineares Molekül, sondern etwa alle 8 - 14 Reste findet man eine Verzweigung in Form einer α (1 -> 6) Bindung. !

Speicherformen von Zucker:!!

1) Stärke (Pflanzen)!

2) Glycogen !(Tiere, Pilze und Bakterien)!

Abbau von Leber-Glykogen während des Fastens!

Bei 7 Personen wurde während 24-Stunden fasten der Glykogengehalt in der Leber mittels 13C-NMR gemessen. !

Glycogenabbau:!

Drei enzymatische Reaktionen:!!1)  Glycogenphosphorylase (oder einfach Phosphorylase) katalysiert die Phosphorolyse!

!von Glycogen zu Glucose-1-phosphat (G1P)!!

! !Glycogen + Pi ---> Glycogen + G1P!! !(n Reste)! !(n - 1) Reste!

!2) !Das Glycogen-Entzweigungsenzym (Debranching Enzyme)!

!Entfernt die Verzweigungen in Glycogen. Dadurch wird weitere Glucose dem Angriff!!der Phosphorylase zugänglich.!

!3)  Phosphoglucomutase!

wandelt G1P in G6P um, das mehrere Richtungen im Stoffwechsel einschlagen kann!

Sequentielle Abspaltung von Glucose-!Einheiten von den nicht-reduzierenden Enden!(gleichzeitig von allen Verzweigungen)!

Glycogenphosphorylase!

Besteht aus 2 identischen 97kDa Untereinheiten. Kalalysiert geschwindigkeitsbestimmenden Schritt des Glycogenabbaus. !

Phosphorylase benötigt den Cofaktor !Pyridoxal-5�-phosphat (Vitamin B6-derivat), !das kovalent an die ε-Aminogruppe von !Lys 680 gebunden ist. !

Glycogen-debranching:!

Das Enzym überträgt drei α(1-->4) verknüpfte Glucosereste von einem �Endzweig� auf das nicht-reduzierte Ende eines anderen Zweiges. Die α(1-->6)-Bildung des am Verzweigungspunkt verbleibenden Restes wird durch erneuten Angriff des Entzweigungsenzyms hydrolysiert, wodurch freie Glucose entsteht. Das Entweigungenzym besitzt aktive Zentren sowohl für die Transferasereaktion als auch für die α(1-->6) Glucosidasereaktion. !

Die Phosphoylase läuft so lange entlang eines!Glycogenzweigs ab, bis der 4. oder 5. Rest vor!einem α(1--6)-Verzweigungspunkt erreicht ist.!

Phosphoglucomutase:!Die Phosphoglucomutase überführt Glucoseeinheiten des Glycogens in G1P, das im Anschluss durch die Phosphoglucomutase in G6P umgewandelt wird. !

1)  Die OH-Gruppe am C6-Atom von G1P greift das Phosphoenzym an und bildet so ein !!Dephosphoenzym-G1,6P-Zwischenprodukt.!

2)  Die Ser-OH Gruppe des Dephosphoenzyms greift die Phosphorylgruppe am C1-Atom an,!!wodurch das Phosphoenzym unter Bildung von G6P regeneriert wird.!

Das durch den Glykogenabbau gebildete G6P kann weiter in den Glykolyse- oder Pentosephosphat-stoffwechselweg eingehen. Da die Glucose bereits phosphoryliert vorliegt, wird der ATP-verbrauchende Hexokinaseschritt umgangen. !

!

Da G6P die Zellmembran nicht passieren kann, wird es in Leber durch die Glucose-6P-phosphatase hydrolysiert:!

! ! !G6P + H2O --> Glucose + Pi!!

!

Die freigesetzte Glucose verlässt die Zelle !und wird über den Blutkreislauf zu anderen !Geweben transportiert (ca. 5 mM Glucose/Blut). !Muskeln und andere Gewebe besitzen keine !Glucose-6-phosphatase und können daher !G6P nicht abgeben.!

Glycogen-synthese:!!Unter physiologischen Bedingungen verläuft der Glycogenabbau !exergon (ΔG = -5 bis -8 kJ mol-1). Die Synthese von Glycogen braucht !daher einen anderen Stoffwechselweg. !

1! 2!

A!

X!Y!

Andere Reaktionen nötig um exergone Schritte zu umgehen!

Glycogen-synthese:!

Synthese und Abbau von Glycogen:!Der exergon verlaufende Glykogenabbau wird durch einen UTP-verbrauchenden!Vorgang umkehrt, wobei ein UDP-Glucose-Zwischenprodukt entsteht.!

Die Reaktion von UDP-Glucose-Phosphorylase:!

Die Phosphorsäureanhydrid-Austauschreaktion!greift das Phosphorylsauerstoffatom von G1P!das α-Phosphoratom das UTP an, UDP-glucose!und PPi werden dabei gebildet. Das PPi wird!umgehend von Pyrophosphatase hydrolysiert. !

Die Reaktion von UDP-Glucose-Phosphorylase:!

! !G1P + UTP --> UDPG + PPi ! 0!! !H2O + PPi --> 2 Pi ! !- 33.5!

!!

!G1P + UTP + H2O --> UDPG + 2 Pi !-33.5!

ΔG0� (kJ mol-1)!

Glycogen-synthase:!

Die Reaktion läuft über ein !Glycosyl-Oxoniumion-Zwischenprodukt.!

Nukleophiler Angriff!der OH-Gruppe!

!

Glycogen-synthase:!

UDP-G + Glycogen ---> UDP + Glycogen ! !- 13.4 kJ mol-1!!(n Reste) ! !(n + 1 Reste)!

!UTP wird mittels ATP regeneriert (UDP + ATP --> UTP + ADP)!

Die Glycogen-synthase ist allosterisch gehemmt durch ADP und Pi.!

Wichtige Trägermoleküle im Metabolismus !

Die meisten Uebertragungen von aktivierten Gruppen im Metabolismus werden von wenigen Trägermolekülen durchgeführt !

-> grundlegendes Prinzip der Biochemie! !

Das Verzweigungsenzym: Amylo (1,4 --> 1.6) - Transglykosylase !

Verzweigungen werden gebildet, indem ein sieben Reste langes Segment vom Ende einer α(1->4)-verknüpften Glucankette auf die C6-OH-Gruppe eines Glucoserests in derselben oder einer anderen Kette übertragen wird. !

Glycogen Storage Krankheiten:!

Regulation des Glycogenmetabolismus:!!!Für eine effektive Kontrolle eines Enzyms muss dieses weit vom!Gleichgewicht entfernt arbeiten. Dies trifft sowohl für Glycogen-!Phosphorylase als auch auf für Glycogen-Synthase zu.!!A)   Allosterische Kontrolle: !!Glycogen-phosphorylase wird aktiviert durch AMP und inhibiert!! !durch ATP und G6P.!!Glycogen-Synthase wird durch G6P aktiviert. !! !ATP-Mangel --> Glycogen-Abbau!! !G6P (und ATP) hoch --> Glycogen-Aufbau!

!B) Kovalente Modifikation: !!Phosphorylierung aktiviert Glycogen-phosphorylase, während!!Phosphorylierung Glycogen-Synthase inhibiert. !

Regulation des Glycogenabbaus: allosterische Kontrolle!

ATP, G6P und Glucose inhibieren !das Enzym, AMP aktiviert.!

Hormonelle Regulation des Energiestoffwechsels:!

Endokrine Signalgebung!!Von endokrinen Zellen produzierte Hormone erreichen ihr Ziel über den Blut-!kreislauf. Nur Zellen mit dem entsprechenden Rezeptor können auf die Hormone!reagieren. !

In den Muskeln und verschiedenen Geweben erfolgt diese!Kontrolle über die Nebennieren-Hormone Adrenalin !(Epinephrin) und Noradrenalin (Norepinephrin). Diese !Hormone werden bei Stress in den Blutkreislauf abgegeben!(Kampf- und Fluchthormone). !

Hormonal control of Glycogen metabolism!

Phosphorylase-kinase!

Glycogen-phosphorylase!

--> aktiv!

P!

Glycogen-synthase!--> inaktiv!

P!

Glycogen-aufbau! Glycogen-abbau!

Regulation des Glycogenmetabolismus:!

Regulation des Glycogenabbaus: Kontrolle durch Phosphorylierung!induziert durch externes signal, z.B. adrenalin!

Unter physiologischen Bedingungen liegt Phosphorylase überwiegend im (inaktiven) T-Zustand vor. ATP, G6P und AMP wirken praktisch nur auf die nicht-phosphorylierte Form (phosphorylase b). !Phosphorylierte Phosphorylase (Phosphorylase a) liegt hauptsächlich in der (aktiven)!R-Form vor, ausser bei hohen Glucosekonzentrationen. Nur die T-Form der Phosphorylase kann phosphoryliert werden.!

Serine 14!

Hormonelle Regulation des Energiestoffwechsels:!

Endokrine Hormone kontrollieren:!!1)  die Homöostase (den Gleichgewichtszustand);!! z.B. Insulin und Glucagon halten den Blutzuckerspiegel konstant auf !!5mM. Die intrazelluläre Homöostase von Stoffwechselwegen wird !!vorallem durch allosterische Kontrolle sichergestellt.!

!2)  eine Vielzahl von externen Stimuli !!z. B. Adrenalin und Noradrenalin ermöglichen die Vorbereitung auf ein!! �Kampf-Flucht�-Verhalten!

!3)  verschiedene Zyklen und Entwicklungsprogramme!!z.B. Sexualhormone, Schwangerschaft etc.!

Pankreatische Inselzellen:!Das Pankreas ist ein grosses Drüsenorgan, dessen grösster Teil für die Produktion!der Verdauungsenzyme wie Trypsin, RNase, α-Amylase und Phospholipase A2,!verantwortlich ist. !!Etwa 1-2% des Pankreas besteht aus verstreuten Zellansammlungen, die als!Langerhansche-Inseln bekannt sind, und Polypeptidhormone sekretieren. !!

Die β-Zellen sekretieren Insulin als Antwort auf einen hohen Blutzuckerspiegel.!Dieses Hormon regt Muskeln, Leber und Fettzellen zur Speicherung von Energie!an, indem Glykogen, Protein und Fett aufgebaut werden. G6P könnte als !intrazellulärer Glucose-Sensor dienen. !!Die α-Zellen sekretieren Glucagon als Antwort auf wenig Glucose im Blut. !Glucagon stimuliert die Leber zur Freisetzung von Glucose durch den Abbau!von Glycogen und Gluconeogenese, und es stimuliert Fettzellen zur Freisetzung !von Fettsäuren durch Lipolyse. !

Langerhansche-Inseln!

Der Glycogenstoffwechsel in der Leber wird durch das Polypeptidhormon Glucagon kontrolliert, das wie Insulin im Pankreas in Abhängigkeit der Blutzuckerkonzentration synthetisiert wird. Glucagon wird vom Pankreas abgegeben, wenn die Konzentration der Glucose im Blut unter 5mM sinkt. !

Hormonal control of Glycogen metabolism!

Diabetes Mellitus:!

Insulin wird in nicht genügenden Mengen freigesetzt, oder es stimuliert nicht !!effizient genug seine Zielzellen. !

!--> dritthäufigste Todesursache (nach Krebs und Herzkreislaufkrankheiten)!

Trotz hohem Blutzuckerwerten �hungern� die Zellen, und beschleunigen den !Fettabbau und die Gluconeogenese.!!Es gibt zwei Hauptformen von Diabetes:!!1)  Insulinabhängiger oder juveniler Diabetes:!! !--> Pankreas hat keine oder nur defekte β-Zellen!

!2)  Nicht-insulinabhängiger oder Alters-Diabetes:!! ! über 90% der Diabetes-Fälle, etwa 20% der Bevölkerung ab 40 Jahre!!!!! !--> die Zellen reagieren auf Insulin nicht normal, insulin-resistent !

Glucoseprofile über 24 Stunden bei gesunden Individuen und !nicht-insulin abhängigen Diabetikern!

Die Grundspiegel an Glucose und deren Anstieg nach Mahlzeiten sind bei!Diabetikern erhöht.!

Hormonal control of Glycogen metabolism!

Leber und Muskel/Fettzellen exprimieren verschiedene Isoformen!der Glucose-transporter!

Leberzellen und pankreatische β-Zellen: !!GLUT-2: sehr hoher KM-Wert für Glucose (ca. 60 mM), !!d.h. der GLUT-2 Transporter ist praktisch nie gesättigt. Fehlerhaftes!!GLUT-2 führt zu Type-I-ähnlichen Glycogenspeicherkrankheiten. !

!Muskel/Fettzellen: !

!GLUT-4: insulin-empfindlicher Glucosetransporter!

Insulin erhöht die Zuckeraufnahme !in Muskeln und Fettzellen durch !stimmulierte Exocytose von !GLUT4-haltigen Membranvesikeln. !Beim Absinken des Insulinspiegels!kehrt sich dieser Vorgang wieder!um. !

Insulin erhöht die Aufnahme von Zucker:!

Hormonal control of Glycogen metabolism!

Fettleibigkeit (obesitas):!

Die Glycogen und Proteinvorräte werden in engen Grenzen reguliert, während !Fettreserven wesentlich grösser sind. Die Anhäufung von Fettsäuren als Triacyl-!glycerine im Fettgewebe resultiert grösstenteils aus einem Missverhältnis zwischen!Fettaufnahme und β-Oxidation. Ein chronisches Ungleichgewicht erhöht die !Masse des Fettgewebes durch eine Zunahme der Zahl und Grösse der !Adipocyten. Einmal gebildete Fettzellen werden nicht mehr abgebaut. !!!! Fettleibigkeit ist für verschiedenen Krankheiten inklusive Diabetes, !

!Herzkreislauf-Probleme und Krebs mitverantwortlich. !!!!

Obesitas: Hormonelle Kontrolle des Verhaltens!

Normale und fettleibige !ob/ob-Maus !

Struktur des menschlichen Leptins!

Das Pepidhormon Leptin wird von Adipocyten synthetisiert. Leptin wird als!�Sättigungssignal� angesehen, welches dass Kontrollsystem für den Appetit im !Gehirn beeinflusst. Leptin vermindert im Hypothalamus die Expression von !Neuropeptid Y , das den Appetit erhöht und die Insulinsekretion fördert. !!Leptinresistenz ist eine genetische Ursache für Fettleibigkeit.!

Summary: Glycogen-metabolismus!!1)  Der Glykogenabbau benötigt 3 Enzyme:!

- Glycogenphosphorylase (spaltet nichtreduzierte Enden --> G1P)!- Entweigungsenzym (überträgt α(1-4)-verknüpftes Trisaccharid auf ein reduzierendes Ende )!- Phosphoglucomutase (G1P --> G6P)!!

2) !Der Glykogenaufbau (Syntheseweg =//= Abbauweg):!

- G1P wird durch UTP unter Bildung von UDP-glucose aktiviert!- Glycogensynthase addiert Glykosyleinheiten an die nichtreduzierenden Enden!

!des Glycogenmoleküls. !- Das Verzweigungsenzym spaltet ein α(1-4)-verknüpftes, sieben Reste langes Segment!

! zunächst ab, und fügt es an anderer Stelle über eine α(1-6)-Verknüpfung wieder an.!

3) !Die Regulation:!

- allosterische Effekte von AMP, ATP und G6P!- Phosphorylierung von aktiviert Glycogen-phosphorylase, und inhibiert !

!Glycogensynthase !- Der Phosphorylierungsstatus wird von Adrenalin, Glucagon und Insulin reguliert.!

Gluconeogenesis:!

Wenn Glucose nicht in ausreichender Form vorhanden ist, !wird Glucose in der Leber (und in geringen Mengen in der Niere) !über den Weg der Gluconeogenese aufgebaut.!!

Katabolische und anabolische Wege sind verschieden!

1! 2!

A!

X!Y!

Andere Reaktionen nötig um!exergone Schritte zu umgehen!

Substrate cycles im Glucose metabolismus!

Glycolyse!Gluconeogenese!

Gluconeogenesis:!

Als Vorläufer dienen vorallem die Glycolyseprodukte Pyruvat und Lactat, !aber auch Zwischenprodukte des Citratzyklus und das !Kohlenstoffgerüst vieler Aminosäuren. Fettsäuren werden dagegen in !Acetyl-CoA abgebaut, und können nicht als Glucosevorstufen dienen.!!

Zuerst werden all diese Substanzen in Oxalacetat umgebaut. !

Die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat (PEP)!

1)  Die Pyruvat-Carboxylase wandelt Pyruvat in Oxaloacetat um.!

2)  Die PEP-Carboxykinase (PEPCK) wandelt Oxalacetat in PEP um. !

Der Weg von PEP zu FBP wird !von den Enzymen der!Glycolyse, lediglich in umgekehrter!Richtung, katalysiert.!

Gluconeogenese: FBP --> Glucose!

FBP wird durch die Fructose bis-phosphatase hydrolysiert.!

G6P wird durch die Glucose 6-phosphatase hydrolysiert. !

Dieses Enzym wandelt in der Leber auch G6P aus dem Glycogenabbau in Glucose um.!

Es ist zu beachten dass diese beiden Hydrolysereaktionen Pi freisetzten und nicht die ATP->ADP-Vorgänge der Glycolyse umgekehren. !

Substrate cycles im Glucose metabolismus!

Glycolyse!Gluconeogenese!

Energiebilanz der Gluconeogenese:!

Die Umwandlung von 1 Molekül Glucose aus 2 Pyruvat werden 6 ATP-Aequivalente verbraucht: je 2 für die Pyruvat-Carboxylase, PEPCK und die Phosphoglycerat-Kinase. !

Durch den Cori-cyclus wird durch Verbrauch von 4 ATP Molekülen Glucose !im Muskel durch Gluconeogenese in der Leber wieder hergestellt.!

Allosterische Kontrolle der Glyconeogenese und der Glycolyse!Glycolyse und Gluconeogenese laufen in der gleichen Zelle nicht gleichzeitig ab. !

Uebersicht der Hauptwege des Energiestoffwechsels !

Nur wenige Gewebe, wie z.B. die Leber, können alle gezeigten Reaktionen ausführen. In einer bestimmten Zelle findet daher nur ein kleiner Teil aller möglichen Stoffwechselreaktionen mit einer nennenswerten Geschwindigkeit statt.!

Kompartmentalisierung der !metabolischen Hauptwege:!

Gehirn:!

Das Gehirn verbraucht im Ruhezustand über 20% des gesamten O2-Verbrauchs!(bei ca. 2% des Körpergewichts). Glucose ist der Hauptenergielieferant, und nur !nach langem Fasten werden auch Ketonkörper veratmet. Die Gehirnzellen !speichern nur wenig Glycogen, und sind daher auf eine konstante Zufuhr von !Glucose aus dem Blut angewiesen.! !

Das ATP im Gehirn wird hauptsächlich gebraucht, um die Na+/K+-ATPase!der Plasmamembran anzutreiben, die das für die Fortleitung von Nerven-!impulsen erforderliche Membranpotential aufrecht erhält. !

Muskel:!Die wichtigsten Energiequellen des Muskels sind Glucose (aus Glykogen), Fettsäuren und Ketonkörper. Ein ruhender Muskel legt einen Glycogenspeicher an, der etwa 1 - 2% seiner Masse entspricht (im Gegensatz zu Fettsäureabbau, schnell verfügbare Energie, anearober Abbau durch Glycolyse möglich). !

Skelettmuskel: bei maximaler Anstrengung reicht der ATP-Vorrat für etwa 4 Sekunden, !! !darnach wird auf anaerobe Glykolyse umgestellt, und G6P zu Lactat ab-!! !gebaut. Muskelermüdung erfolgt nach etwa 20 Sekunden durch Ab-!! !sinken des pH-Wertes (ausgelöst durch Lactat)!

Herzmuskel: kontinuierliche, langsame Kontraktion. Vollständig auf aeroben Abbau von !! !Glucose, Fettsäuren und Ketonkörper angewiesen. 40% des Zell-!! !volumens sind Mitochondrien. !

Leber:!!!Die Leber ist die zentrale Schaltstation für den Stoffwechsel des Körpers. Sie!hält die benötigten Pegel an zirkulierenden Nährstoffen für die Verwendung !im Gehirn, der Muskulatur und anderen Geweben aufrecht. !

Glucose-6-Phosphat: im Zentrum des Kohlenhydrat-stoffwechsels!

1)  G6P wird zu Glucose umgewandelt und ins Blut abgegeben, wenn die Glucosekonzentration im Blut unter 5mM fällt. Die Ausschüttung von Glucagon (Pancreas) löst den Glycogenabbau aus.!

2)  G6P kann zu Glykogen umgewandelt werden, wenn der Bedarf an Glucose niedrig ist.!

3)  G6P kann über die Glykolyse und Pyruvatdehydrogenase in Acetyl-CoA abgebaut werden.!

4)  G6P kann über den Pentosephosphatweg zur Erzeugung von NADPH abgebaut werden (z.B. Biosynthese von Fettsäuren)!

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Die metabolische Interaktion zwischen der Leber und Muskelgewebe:!

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Interaktion des Fettgewebes !mit der Leber:!!!

Die Synthese und Degradation von !Triacylglycerol durch Fettgewebe. !!Fettsäuren werden gebunden an!�very low density lipoproteins (VLDL)� !zu Adipocyten transportiert.!!Hormon-regulierte Lipasen induzieren !den Fettabbau. !