BC 1. Glykolyse

von Julius P.

NAD+

Nicotinamidadenindinukleotid [oxidierte Form]

NADP (phosphat) [reduzierte Form]

Vitaminvorstufe ist Nicotinat (Niacin, Vitamin B3)

aktiver Elektronen-Carrier, an anabolischen Prozessen beteiligt, kann 2 Elektronen und 1 Proton (also ein Hydridion) aufnehmen

Was sind die verschiedenen Wege des Glucose Abbaus?

Glucose in 10 Schritten der glykolyse zu Pyruvat

Pyruvat in Gärung zu Ethanol oder Lactat (o.a.) [netto 2 ATP]

Pyruvat zu Acetyl-CoA dann vollständige Oxidation zu CO2 in Citratzyklus [netto 30 ATP]

Nenne die 2 Stufen der Glykolyse und die Reaktionsgleichung.

Stufe 1: Glucose gelangt in die Zelle und wird destabilisiert, es entstehen C3-Moleküle, welche ineinander umgewandelt werden können, ATP wird verbraucht

Stufe 2: Substratkettenphosphorylierung - ATP erzeugende Reaktionen der Glykolyse [läuft 2x ab weil zwei C3 Körper]

Reaktionsgleichung:

Glucose + 2Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H20

mit dG = -96 kJ/mol

Glykolyse Schritt 1

Nenne Enzym

ggf. Regulierung

Infos zur Reaktion

Phosphorylierung der Glucose

Glucose + ATP —> Glucose-6-phosphat + ADP + H+

Enzym: Hexokinase

allosterische Endprodukthemmung

stark exergonisch [-34 kJ/mol], induced fit = Hexokinase geschlossene Konformation mit Glucose hydrophobe Reaktionskammer

Glykolyse Schritt 2

Glucose-6-Phosphat <—> Fructose-6-Phosphat

Isomerisierung

Enzym: Glucosephosphat-Isomerase

Aldehydgruppe wird zu Ketogruppe

Glykolyse Schritt 3

Fructose- 6-phosphat + ATP -> Fructose-1,6-bisphosphat + ADP +H+

Phosphofructokinase
Phosphorylgruppenübertragung
exergonisch -> irreversible Schrittmacherreaktion der Glykolyse
allosterische Regulation über Energiegehalt ATP (-), AMP (+) (Bindung von ATP reduziert die Affinität für Fructose-6-phosphat)
PFK in Leber - Citrat verstärkt hemmende Wirkung von ATP, F-2,6-BP (+) (erhöht Affinität für Fructose-6-Phosphat & reduziert Hemmeffekt ATP)

Glykolyse Schritt 4

C6-Einheit zu zwei C3-Einheiten

Aldolase

Fructose-1,6-Bisphosphat <—> GAP (Glycerinaldehyd-3-phosphat) + DHAP (Dihydroxyacetonphosphat)

Gleichgewicht zu 96 % bei DHAP aber GAP weiter in Glykolyse

Glykolyse Schritt 5

DHAP (Dihydroxyacetonphosphat) <—> GAP (Glycerinaldehyd-3-phosphat)

Isomerisierung
Enzym: Triosephosphat-Isomerase
Gleichgewichtsreaktion
Glutamat als Säure-Base-Katalysator und Histidin, welches die Katalyse unterstützt

Glykolyse Schritt 6

Glycerinaldehyd-3-phosphat + Pi + NAD+ -> 1,3-Bisphosphoglycerat + NADH + H+

Phosphorylierung gekoppelt mit Oxidation
Enzym: Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH)
Reaktion läuft ab ohne ATP durch Thioester-Zwischenprodukt

Glykolyse Schritt 7

1,3-Bisphosphoglycerat + ADP -> 3-Phosphoglycerat + ATP

Phosphorylgruppenübertragung
Enzym: Phosphoglyceratkinase
ATP Erzeugung durch Substratkettenphosphorylierung

Glykolyse Schritt 8

3-Phosphoglycerat <—> 2-Phosphoglycerat

Phosphorylgruppenumlagerung
Enzym: Phosphoglycerat-Mutase

Glykolyse Schritt 9

2-Phosphoglycerat <—> Phosphoenolpyruvat + H20

Dehydratisierung
Enzym: Enolase

Glykolyse Schritt 10

Phosphoenolpyruvat + ADP +H+ -> Pyruvat + ATP

Phosphorylgruppenübertragung
Enzym: Pyruvatkinase
irreversible Reaktion, exergon [-17 kJ/mol]
ATP Erzeugung druch Substratkettenphosphorylierung
Regulation: ATP (-), Alanin (-), F-1,6-BP (+), PKA (-) nur in Leber

Leber:

Reaktionsgleichung der alkoholischen Gärung

Glucose + 2Pi + 2 ADP + 2 H+ → 2 Ethanol + 2 ATP + 2 CO2 + 2 H2O

Enzyme beteiligt an der alkoholischen Gärung und deren Co-Enzyme. Wo kommt diese Pyruvat Verwertung vor?

Pyruvat-Decarboxylase mit Coenzym Thiaminpyrophosphat (TPP), Derivat von Vitamin B1

Alkohol-Dehydrogenase mit NADH + H+

—> in Hefen und Mikroorganismen

Reaktionsgleichung der Milchsäure-Gärung

Glucose + 2Pi + 2 ADP → 2 Lactat + 2 ATP + 2 H2O

Enzyme beteiligt an der Milchsäure-Gärung und deren Co-Enzyme. Wo kommt diese Pyruvat Verwertung vor?

Lactat-Dehydrogenase mit NADH+ H+

—> in Mikroorganismen, Muskeln bei intensiver Belastung (Sauerstoffmangel), Erythrozyten

Erkläre kurz die Regulation der Glykolyse im Skelett-Muskel.

→ In Ruhe: keine Energie wird benötigt, viel ATP vorhanden (ATP hemmt PFK und Pyruvat-K), viel Produkt (Glucose-6-Phosphat hemmt Hexokinase) vorhanden, Glykolyse ist inhibiert & Muskelfaser entspannt

→ In Bewegung: Energie wird verbraucht, wenig ATP und mehr AMP (verdrängt ATP aus den 4 PFK Bindungstaschen), wenn viel Produkt aus PFK gebildet wird, wird auch die Pyruvat-Kinase angetrieben (feedforward Stimmulierung) -> Muskelfaserkontraktion

Drei Reaktionen in der Glykolyse verlaufen stark exergonisch und damit praktisch irreversibel. Schreiben Sie die drei Reaktionsgleichungen auf. Von welchen Enzymen werden diese Reaktionen katalysiert? Wie werden diese Enzyme reguliert?

Übungsblatt 1

Schritt 1 der Glykolyse: Glucose + ATP -> Glucose-6-phosphat + ADP + H+, Katalysiert durch Hexokinase, Endprodukthemmung durch Glucose-6-phosphat
Schritt 3 der Glykolyse: Fructose-6-phosphat + ATP -> Fructose-1,6-bisphosphat + ADP + H+, Katalysiert durch Phosphofructokinase, Allosterische Regulation (ATP reduziert Affinität für Fructose-6-phosphat, AMP hebt Wirkung auf), niedriger pH (-) Muskel
Sonderfall Leber: Citrat (-), F-2,6-BP (+) (gebildet durch PFK2 = bifunktionelles Tandemenzym mit Kinase- und Phosphatasedomäne)
Schritt 10 der Glykolyse: Phosphoenolpyruvat + ADP + H+ -> Pyruvat + ATP, Katalysiert durch Pyruvatkinase, ATP (-), Alanin (Strukturanalogon zu Pyruvat) (-), F-1,6-BP (+), PKA (Proteinkinase A) (-) nur in Leber

Übungsblatt 1: Welche Reaktion wird von GAPDH katalysiert? Welche Besonderheit weist der Verlauf dieser Reaktion auf?

Schritt 6 der Glykolyse: Glycerinaldehyd-3-phosphat + NAD+ + Pi <--> 1,2-Bisphosphoglycerat + NADH + H+

Energetisch günstige Reaktion ermöglicht über Thioesterzwischenprodukt eine ungünstige Reaktion (Dehydratisierung eig. endergonisch)
Phosphorylierung mit einer Oxidation gekoppelt

Übungsblatt 1: Welche Wirkung hat Arsen (in Form von Arsenat) auf die Glykolyse ?

Arsenat bindet analog zu Phosphat an GAPDH
1-Arseno-3-Phosphoglycerat ist instabil und hydrolysiertspontan zu 3-Phosphoglycerat.
ATP-Bildung (Substratkettenphosphorylierung) wird verhindert.

Übungsblatt 1: Bei der Glykolyse wird NAD+ zu NADH reduziert. Wie wird NAD+ unter anaeroben Bedingungen bzw. unter aeroben Bedingungen wieder regeneriert?

> anaerobe Bedingungen (Skelettmuskel) - Regeneration von NAD+ durch Pyruvatabbau, Pyruvat -> Lactat (Lactatdehydrogenase)

> aerobe Bedingungen - Regeneration cytoplasmatisches NADH aus Glykolyse

Glycerol-3-phosphat Shuttle
Malat-Aspartat-Shuttle (Herz/Leber)

Übungsblatt 1: Nennen Sie die ersten beiden Schritte der Gluconeogenese ? Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen auf. Von welchen Enzymen werden diese Reaktionen katalysiert? In welchem Zelltyp und in welchem Zellkompartiment finden diese Reaktionen statt?

Glykolyse: alle Zelltypen

Gluconeogenese: Leber (weil Glucose-6-phosphatase und PFK2 Leberspezifisch), (Niere)