© 2019 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-43690-1.10005-1

10.1016/B978-3-437-43690-1.10005-1

978-3-437-43690-1

D- und L-Glycerinaldehyd, Dihydroxyaceton und wichtige Aldosen und Ketosen der D-Konfiguration mit vier, fünf, sechs und sieben Kohlenstoffatomen.

Fischer-Projektionen der Aldohexose D-Glucose und der Ketohexose D-Fructose. Die Nummerierung der Kohlenstoffatome, die asymmetrischen Kohlenstoffatome von C(2) bzw. C(3) bis C(5) und die für die D-Klassifizierung ausschlaggebende Konfiguration an C(5) sind aufgezeigt.

Intramolekulare Bildung des Halbacetals der D-Glucose unter Ringschluss Mögliche Darstellungsweisen der Anomeren in der Fischer- (a) und der Haworth-Projektion (b) und als Konformationsformeln (c). Es ist die sog. Sesselkonformation wiedergegeben, in der axiale (rot) und äquatoriale Bindungen (grün) unterschieden werden. Der Doppelpfeil in (b) steht für die Gleichgewichtsmischung der Anomeren in wässriger Lösung.

Mögliche Furanoseringformen der D-Ribose und der D-Fructose.

Reaktionen und Derivate der D-Glucose. (1) Anomerengleichgewicht, die offenkettige Zwischenstufe ist nicht gezeigt. (2) Glykosidische Bindung (hier: Methylglucosid). (3) Reduktion. (4) Oxidation an C(1) (Lacton). (5) Oxidation an C(6). (6) Phosphorylierung zum Phosphorsäureester. (7) Aminozucker (hier: Glucosamin), mit anschließender N-Acetylierung. Die Verbindungen entstehen biochemisch in einer komplexen Reaktionsfolge aus Fructose-6-phosphat.

Digitoxin und Strophantin G (Ouabain), zwei herzaktive pflanzliche Glykoside.

N-Acetylmuraminsäure (a) und N-Acetylneuraminsäure (b).

Wichtige Disaccharide.

Glykogen und Amylose. a) Schematische Grundstruktur eines Glykogenmoleküls. b) Helikale Struktur der Amylose. c) Glykogenpartikel ( -Partikel) in einer Leberzelle des Menschen. 1 Peroxisom, 2 glattes ER, 3 raues ER, 4 Mitochondrium.

Struktur eines bakteriellen Mureins. Neben den gewöhnlichen L-Aminosäuren kommen im quervernetzenden Peptid auch Aminosäuren in der D-Konfiguration vor. NAG N-Acetylglucosamin, NMS N-Acetylmuraminsäure.

Repetitive Disaccharideinheiten der Glykosaminoglykane Hyaluronsäure (a) und Chondroitinsulfat (b). Auch die Carboxylgruppe liegt bei physiologischem pH-Wert als Anion vor.

N-glykosidisch mit Proteinen verknüpfte Oligosaccharide. a) Die N-glykosidische Verknüpfung erfolgt stets von N-Acetylglucosamin zu Asparagin in der Sequenz Asn–X–Y, wobei X eine beliebige Aminosäure sein kann, Y dagegen Serin oder Threonin ist. b) Oligosaccharidanteil im Ovalbumin.

Man Mannose, NAG N-Acetylglucosamin.

Schematische Darstellung der Verdauung (a) und Resorption von Kohlenhydraten in der Darmmukosa (b).

Die elf Reaktionen der anaeroben Glykolyse.

Die erste Stufe der Glykolyse. Priming unter ATP-Verbrauch.

Die zweite Stufe der Glykolyse. Erzeugung von ATP.

Formelbild von 2,3-Bisphosphoglycerat.

Schema der Domänenstruktur der Hefe-Hexokinase. Konformationsänderung nach Bindung eines Moleküls Glucose (rot).

Porin(P)-vermittelte Bindung der Hexokinase (HK) an die äußere Mitochondrienmembran (AMM). Sie bildet eine ideale Voraussetzung für die Nutzung von ATP, das der ATP-ADP-Translokator durch die innere Mitochondrienmembran (IMM) schleust. G Glucose; G6P Glucose-6-phosphat.

Thiohalbacetal und Thioester im aktiven Zentrum der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase.

Eintritt von Fructose (a) und Galaktose (b) in die Glykolyse. Enzyme in (b): 1 Galaktokinase, 2 UDP-Glucose (Galaktose-1-phosphat-Uridylyltransferase), 3 UDP-Galaktose-4-Epimerase, 4 Glucose-1-phosphat-Uridylyltransferase, 5 Phosphoglucomutase.

Isoenzymmuster der Lactat-Dehydrogenase nach einer nativen Gelelektrophorese. Aufgetragen waren Skelettmuskel-LDH (M), Herzmuskel-LDH (H) und ein Gemisch aus M- und H-Polypeptiden, die sich zu den Hybridformen zusammenlagerten.

a) Alkoholische Gärung bei Mikroorganismen b) Alkoholabbau beim Menschen.

Pentosephosphatweg.

a) Oxidativer (1–3 oder 4) und nichtoxidativer (4–8) Zweig des Pentosephosphatwegs.

b) Der oxidative Zweig als Formelbild.

1 Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase, 2 6-Phosphogluconolactonase, 3 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase, 4 Ribulose-5-phosphat-Isomerase, 5 Ribulose-5-phosphat-Epimerase, 6 Transketolase, 7 Transaldolase, 8 Transketolase.

Nichtoxidativer Zweig des Pentosephosphatwegs. 1 Ribulose-5-phosphat-Isomerase, 2 Ribulose-5-phosphat-Epimerase, 3 Transketolase, 4 Transaldolase.

Reaktionen der Gluconeogenese. Umwegreaktionen: 1 Pyruvat-Carboxylase, 4 Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, 5 Fructose-1,6-bisphosphatase, 6 Glucose-6-phosphatase. Für den Export von Oxalacetat aus dem Mitochondrium werden zusätzlich die mitochondriale (2) und zytosolische (3) Isoform des Malatenzyms benötigt.

Das System der Glucose-6-phosphatase in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) der Leber. Transporter T2 und die Hydrolaseaktivität E sind wahrscheinlich Proteinkomplexe mit stabilisierenden Untereinheiten. G Glucose, G6P Glucose-6-phosphat, Pi anorganisches Phosphat, PM Plasmamembran.

Beispiele für Nucleosiddiphosphat-Zucker.

Stoffwechsel der Galaktose. Enzyme: 1 UDP-Glucose:Galaktose-1-phosphat-Uridylyltransferase, 2 UDP-Galaktose-4-Epimerase, 3 Lactose-Synthase.

Die acht Reaktionen des Citratzyklus.

Aufbau und Reaktionen des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes. TPP Thiaminpyrophosphat.

Einzelreaktionen des Citratzyklus.

Die Kontrollpunkte des Citratzyklus. Rot, hemmend, grün, stimulierend.

Die amphibole Natur des Citratzyklus.

Reaktionen von Malatenzym (a) und Pyruvat-Carboxylase (b).

Die Biosynthese von Glykogen (a) und Reaktion des Branching-Enzyms (b).

Die Mobilisierung von Glucose durch Glykogenabbau.

Regulation des Glykogenstoffwechsels durch reversible kovalente Modifikation von Enzymen. Es sind nur die Hauptwege der Aktivierung bzw. Inaktivierung gezeigt.

Stufen des Kohlenhydratstoffwechsels.

Schlüsselverbindungen des Intermediärstoffwechsels: Glucose-6-phosphat (a), Pyruvat (b) und Acetyl-CoA (c).

Regulation des Stoffwechsels durch Citrat. ,: Anstieg, Abfall der Metabolitenkonzentration.

Fructose-2,6-bisphosphat (a) und seine Funktion im Kohlenhydratstoffwechsel (b).

Der Polyolweg (Sorbitolweg).

Bildung von advanced glycation end-products in Proteinen.

Biochemisch wichtige Monosaccharide der D-Serie

Tab. 5.1
Verbindung Klassifizierung Vorkommen und biologische Bedeutung
Glycerinaldehyd Aldotriose in phosphorylierter Form im Stoffwechsel
Dihydroxyaceton Ketotriose in phosphorylierter Form in Glykolyse und Gluconeogenese
Erythrose Aldotetrose in phosphorylierter Form im Pentosephosphatweg
Ribose Aldopentose in Nucleinsäuren und Coenzymen
Ribulose Ketopentose in phosphorylierter Form im Pentosephosphatweg
Arabinose Aldopentose in Proteoglykanen und Glykoproteinen
Xylose Aldopentose in Proteoglykanen und Glykoproteinen
Xylulose Ketopentose in phosphorylierter Form im Pentosephosphatweg
Glucose Aldohexose
  • in Fruchtsäften (Traubenzucker)

  • Bestandteil der Saccharose und anderer wichtiger Disaccharide

  • Bestandteil von Speicherpolysacchariden, Blutzucker

Galaktose Aldohexose
  • Bestandteil des Milchzuckers (Lactose)

  • in Glykoproteinen und Sphingolipiden

Mannose Aldohexose
  • in Glykoproteinen

  • als Mannose-6-phosphat, wichtig bei der Biogenese der Lysosomen

Fructose Ketohexose
  • in Fruchtsäften, Honig

  • Bestandteil der Saccharose

  • in phosphorylierter Form in der Glykolyse

Sedoheptulose Ketoheptose in phosphorylierter Form im Pentosephosphatweg

Expression und Funktion einiger Mitglieder aus der GLUT-Familie der Glucosetransporter

Tab. 5.2
Isoform Expressionsort Km (mmol L–1) für 2-Desoxyglucose Funktion
GLUT1 Erythrozyten, Tumorzellen, Gliazellen und Neurone des Gehirns 7 Galaktose: 17 mmol L–1 Grundversorgung zusammen mit anderen GLUT-Proteinen
GLUT2 Leber, Niere, Pankreas (B-Zellen), Dünndarm (basolateral) 11 Glucoseexport, Glucosesensor
GLUT3 Plazenta, Blutplättchen, Neurone 1 effizienter Transport bei niedrigen Substratkonzentrationen
GLUT4 Muskel, Adipozyten, Neurone des Hippocampus 5 insulinabhängige Regulation der Glucoseaufnahme
GLUT5 Dünndarm (apikal), Makrophagen, Spermien hoch Fructoseaufnahme (Km 6 mmol L–1)

Biochemisch wichtige Carbonsäuren

Tab. 5.3
Carbonsäure Name des Anions Formel
Essigsäure Acetat
Brenztraubensäure Pyruvat
Milchsäure Lactat
Oxalsäure Oxalat
Malonsäure Malonat
Bernsteinsäure Succinat
Glutarsäure Glutarat
Äpfelsäure Malat
Acetessigsäure Acetoacetat
Oxalessigsäure Oxalacetat
-Ketoglutarsäure -Ketoglutarat
Fumarsäure Fumarat
Citronensäure Citrat

Km-Werte der Hexokinase aus Rinderhirn für verschiedene Hexosen

Tab. 5.4
Hexose Km-Wert (mmol L–1)
Glucose 0,1
2-Desoxyglucose 0,03
Mannose 0,05
Fructose 1,6
Galaktose 100

Regulation der Phosphofructokinase

Tab. 5.5
Inhibitoren Aktivatoren
ATP, H+, Citrat, Fettsäuren ADP, AMP, Pi, Fructose-2,6-bisphosphat

Regulation der Pyruvat-Kinase (L-Isoform)

Tab. 5.6
Inhibitoren Aktivatoren
ATP, Alanin, Phosphorylierung K+, Fructose-1,6-bisphosphat

Zusammensetzung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes aus Rinderherz

Tab. 5.7
Enzym Struktur Anzahl Coenzym/Cofaktor
Pyruvat-Decarboxylase (E1) 2 2 30 Thiaminpyrophosphat
Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) 60 Liponsäure, CoA
Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3) 2 6 FAD, NAD+
PDH-Kinase 1–3
PDH-Phosphatase 1–5

Glykogenosen

Tab. 5.8
Typ (Name) Enzymdefekt betroffenes Organ Effekt auf Glykogen Klinik/Pathologie/Prognose
I (von Gierke) Glucose-6-phosphatase
  • Leber

  • Niere

Menge erhöht
  • Hepatomegalie

  • Hypoglykämie

  • Hyperlipidämie

  • Entwicklungsstörungen

II (Pompe) lysosomale saure Maltase
  • alle

Menge stark erhöht
  • Hepatomegalie

  • Kardiomegalie

  • Hypotonie

  • Tod vor dem 2. Lebensjahr durch Herzinsuffizienz

III (Cori) Debranching-Enzym
  • Muskel

  • Leber

Menge erhöht, kurze äußere Ketten
  • wie Typ I, aber milder

IV (Andersen) Branching-Enzym
  • Leber

  • Milz

Menge normal, lange Ketten
  • Leberzirrhose

  • Tod vor dem 4. Lebensjahr

V (McArdle) Phosphorylase
  • Muskel

Menge leicht erhöht
  • Muskelkrämpfe

  • leichte Ermüdbarkeit

VI (Hers) Phosphorylase
  • Leber

Menge erhöht
  • wie Typ I, aber milder

VII Phosphofructokinase
  • Muskel

Menge erhöht
  • Muskelschwäche

VIII (Tarui) Phosphorylase-Kinase
  • Leber

  • Gehirn

Menge erhöht
  • leichte Hepatomegalie

  • Atrophien im ZNS

  • Blindheit

  • Quadriplegie

IX Glykogen-Synthase
  • Leber

Menge verringert
  • wie Typ I

Kohlenhydrate

H. Wiesinger

  • 5.1

    Chemie der Kohlenhydrate136

  • 5.1.1

    Struktur und Stereochemie der Monosaccharide136

  • 5.1.2

    Chemische Eigenschaften und Reaktionen der Monosaccharide138

  • 5.1.3

    Disaccharide und Oligosaccharide141

  • 5.1.4

    Polysaccharide142

  • 5.1.5

    Glykosaminoglykane, Proteoglykane und Glykoproteine144

  • 5.2

    Stoffwechsel der Kohlenhydrate145

  • 5.2.1

    Verdauung und Absorption der Kohlenhydrate145

  • 5.2.2

    Die Glykolyse148

  • 5.2.3

    Der Pentosephosphatweg158

  • 5.2.4

    Gluconeogenese und aktivierte Zucker161

  • 5.2.5

    Der Citratzyklus164

  • 5.2.6

    Glykogenstoffwechsel169

  • 5.2.7

    Integration, Regulation und Organverteilung des Kohlenhydratstoffwechsels173

Praxisfall

Ein Mädchen im Elektrorollstuhl, eine Maske über der Nase, zwei Schläuche führen zu einem batteriebetriebenen Beatmungsgerät. Ein seltenes Bild im Alltag, aber ein anschauliches Beispiel für eine Patientin, die durch moderne Medizintechnik am Alltag teilnehmen kann, obwohl bei ihr schon kurz nach der Geburt Morbus Pompe diagnostiziert wurde. Diese schwere Stoffwechselkrankheit wurde in den Jahren 1929 und 1932 von den Pathologen Edgar von Gierke (Deutschland) und Johannes Pompe (Niederlande) beschrieben und ist durch die Ablagerung unphysiologisch hoher Mengen von Glykogen in verschiedenen Organen charakterisiert. Schon in den ersten Lebenswochen entwickeln die Betroffenen eine Hypotonie und allgemeine Schwäche (auch beim Schreien), mit Kardiomyopathie und Hepatomegalie. Muskel- und Zwerchfellschwäche führen zu progredienten respiratorischen Problemen. Bei der infantilen Verlaufsform tritt oft der Tod aufgrund von schweren Lungeninfektionen, Herz- oder Lungenversagen vor Erreichen des zweiten Lebensjahrs ein. Juvenile und adulte Verlaufsformen zeichnen sich durch langsamere Progression der Muskelschwäche aus, führen aber in der Regel zu Beatmungs- und Rollstuhlpflichtigkeit und einer reduzierten Lebenserwartung aufgrund respiratorischen Versagens.

Morbus Pompe war das erste beschriebene Beispiel einer Glykogenose (Glykogenspeicherkrankheit). Diesen Krankheitsbildern liegen hereditäre Defekte des Glykogenstoffwechsels zugrunde, sodass es zu einer pathologisch gesteigerten Glykogenablagerung in vielen Organen kommt. Bei Morbus Pompe (Glykogenose Typ II) fehlt das lysosomale Enzym -Glucosidase (saure Maltase) in allen Organen, oder es ist in seiner Aktivität stark reduziert. Das Enzym kann Maltose und Oligosaccharide hydrolysieren, aber auch Glykogen hydrolytisch vollständig zu Glucose abbauen. Bei einem Defekt des Enzyms führt die Akkumulation von Glykogen in den Lysosomen zu einer Beeinträchtigung der physiologischen Funktion von Organellen, Zellen und schließlich der Organe. Besonders sind dabei die Muskelzellen betroffen. Enzymersatztherapie durch rekombinant erzeugte humane -Glucosidase wurde an juvenilen Patienten erfolgreich getestet, eine Gentherapie ist nicht in Sicht.

Zur Orientierung

Kohlenhydrate sind in ihren vielfältigen Formen die am häufigsten vorkommenden organischen Verbindungen auf der Erde. Sie entstehen hauptsächlich über die Photosynthese von Pflanzen und einiger Bakterien aus den einfachen Verbindungen CO2 und H2O mit dem Sonnenlicht als Energielieferant, können aber auch aus organischen Vorstufen im Stoffwechsel gebildet werden. Der Abbau der einfachen Kohlenhydrate, v.a. der Glucose, stellt wiederum einen wesentlichen Teil der Energie bereit, die eine Zelle für synthetische, mechanische oder Transportleistung braucht. Der Katabolismus der Kohlenhydrate beginnt mit der Verdauung, d.h. der extrazellulären Hydrolyse der Poly-, Oligo- und Disaccharide in Mund und Darm. Nach Absorption und Transport der monomeren Zucker in die Körperzellen dient der intrazelluläre Abbau in der Glykolyse und im Citratzyklus der Gewinnung von Energie und von C-Bausteinen für Synthesen. Der Abbau im Pentosephosphatweg ist für die Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten und die Nucleotidsynthese von Bedeutung.

In der Gluconeogenese wird Glucose aus Nichtkohlenhydratvorstufen aufgebaut. Glucose wird in Form von Glykogen in tierischen Zellen gespeichert und bei Bedarf daraus mobilisiert.

Zucker sind Teile des Grundgerüsts von RNA und DNA sowie des Energiespeichers ATP. In den Zellwänden von Bakterien und Pflanzen, aber auch von Membranen tierischer Zellen bilden komplexe Zucker wichtige Strukturkomponenten. Die Funktion der Kohlenhydrate bei der Erkennung und Adhäsion von Zellen verdeutlicht, welche Rolle sie bei der Morphogenese und Plastizität komplexer Organe spielen. Die Stoffwechselwege der Kohlenhydrate unterliegen einer komplexen hormonellen Regulation und laufen je nach Energiebedarf katabol oder anabol ab. Eine zentrale Stellung in der Wahrung der Glucosehomöostase des Körpers nimmt die Leber ein.

Chemie der Kohlenhydrate

Struktur und Stereochemie der Monosaccharide

Begriffsklärung
Nimmt man den Begriff Kohlenhydrat wörtlich, so bezeichnet er eine Verbindung aus Kohlenstoff und Wasser. Diese Namensgebung kann aus einer Zeit heraus verstanden werden, in der die Summenformel vieler Vertreter dieser Naturstoffklasse zu Cn(H2O)n bestimmt wurde und somit formal tatsächlich Hydrate des Kohlenstoffs beschrieb. Wie die Konstitutionsformel der Kohlenhydrate zeigt, ist diese einfache chemische Zuordnung nicht sinnvoll (Abb. 5.1). Außerdem rechnet man zu den Kohlenhydraten auch Verbindungen, die zwar ausschließlich aus C, H und O aufgebaut sind, der genannten allgemeinen Formel aber nicht entsprechen, oder Verbindungen, die Heteroatome wie N oder S enthalten.
Da viele einfache Kohlenhydrate süß schmecken, wird der Begriff Saccharid (gr. sakcharon Zucker) synonym mit Kohlenhydrat verwendet, woraus man eine eindeutige Nomenklatur ableiten kann. Monomere Kohlenhydrate heißen demnach Monosaccharide, aus monomeren Bausteinen zusammengesetzte Kohlenhydrate werden entsprechend als Disaccharide (zwei Bausteine), Oligosaccharide (drei bis neun Bausteine) und Polysaccharide (mehr als neun Bausteine) klassifiziert.
Zucker sind in dieser Gruppe die Monosaccharide (auch: einfache Zucker) sowie Di- und Oligosaccharide, die man auch als zusammengesetzte oder komplexe Zucker bezeichnet. Die bekanntesten Vertreter finden tatsächlich als Süßstoffe, also als Zucker im alltäglichen Sprachgebrauch, Verwendung. Sie zeigen alle ein ähnliches physikalisches Verhalten und lassen sich z.B. leicht kristallisieren oder lösen sich in hohen Konzentrationen in Wasser. Polysaccharide dagegen sind amorphe Feststoffe und in Wasser nicht oder nur kolloidal löslich. Kohlenhydrate in den genannten Formen machen etwa 1% des menschlichen Körpers aus.
Klassifizierung der Monosaccharide
Monosaccharide bestehen aus einer einzigen aliphatischen Polyhydroxycarbonyleinheit und können, wenn sie nicht weiter modifiziert sind, mit der Summenformel CnH2nOn beschrieben werden, wobei n > 2 ist. Das Kohlenstoffskelett ist im Allgemeinen nicht verzweigt. Eines der Kohlenstoffatome ist über eine Doppelbindung mit einem Sauerstoffatom zu einer Carbonylgruppe verknüpft, die anderen tragen je eine Hydroxylgruppe. Ist die Carbonylgruppe am Kettenende angeordnet, so gehört das Monosaccharid zur Klasse der Aldehyde und wird Aldose genannt. Liegt die Carbonylgruppe innerhalb der Kohlenstoffkette, ist das Monosaccharid ein Keton und wird als Ketose bezeichnet. Somit sind die einfachsten Monosaccharide, Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton (Abb. 5.1) mit je drei Kohlenstoffatomen, eine Aldotriose bzw. Ketotriose. Derivate beider Verbindungen spielen eine wesentliche Rolle im Kohlenhydratstoffwechsel (Tab. 5.1).
Die längerkettigen Monosaccharide sind wichtige Nahrungsbestandteile und Strukturkomponenten und üben entscheidende Funktionen im Zellstoffwechsel aus (Tab. 5.1, Abb. 5.1). Neben der Erythrose mit vier Kohlenstoffatomen gehören dazu v.a. Vertreter aus den Gruppen mit fünf (Aldo- und Ketopentosen), sechs (Aldo- und Ketohexosen) und sieben Kohlenstoffatomen (Aldo- und Ketoheptosen). Die Nummerierung der Kohlenstoffatome beginnt an dem Ende des Moleküls, das der Carbonylgruppe am nächsten liegt (Abb. 5.2).

MERKE

Kohlenhydrate sind Polyhydroxyverbindungen mit einer zusätzlichen Aldehyd- (Aldosen) oder Ketogruppe (Ketosen). Je nach Anzahl der Bausteine unterscheidet man Mono-, Di- und Oligosaccharide (Zucker) und Polysaccharide.

Stereochemie der Monosaccharide
Enantiomerie Alle Monosaccharide mit Ausnahme von Dihydroxyaceton enthalten mindestens ein asymmetrisches Kohlenstoffatom, also ein C-Atom mit vier unterschiedlichen Substituenten. Monosaccharide sind somit chirale Moleküle und kommen in zwei enantiomeren Formen vor, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Die beiden möglichen Enantiomere von Glycerinaldehyd mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom wurden mit D und L bezeichnet (Abb. 5.1); sie sind die Referenzsubstanzen für die absolute Konfiguration aller chiralen Verbindungen.
Da ein Molekül mit n asymmetrischen Atomen in insgesamt 2n stereoisomeren Formen auftreten kann, findet man z.B. bei den Aldohexosen mit vier asymmetrischen Kohlenstoffatomen 24 16 verschiedene Stereoisomere, die acht Enantiomerenpaare bilden. Bei Monosacchariden mit zwei oder mehr asymmetrischen Kohlenstoffatomen beziehen sich die Präfixe D und L auf das chirale Zentrum, das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist. Die Konfiguration an diesem Kohlenstoffatom wird mit der Konfiguration von Glycerinaldehyd verglichen (Abb. 5.2). Es ist zu beachten, dass sich D- und L-Glucose über die ganze Kettenlänge wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten, also enantiomer zueinander sind. In der Natur überwiegen die Monosaccharide der D-Serie, die deshalb auch physiologisch von übergeordneter Bedeutung sind.
EpimerieBesitzen zwei Monosaccharide dieselbe Summenformel (z.B. C6H12O6), unterscheiden sich aber in der Konfiguration an einem Kohlenstoffatom, so sind sie zueinander epimer und haben in der Regel auch eigene Namen. Beispielsweise sind D-Glucose und D-Mannose Epimere in Bezug auf C(2) und D-Glucose und D-Galaktose sind Epimere in Bezug auf C(4) (Abb. 5.1). Diese Stereoisomere verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander.
Optische AktivitätAufgrund ihrer chiralen Kohlenstoffatome sind Monosaccharide optisch aktiv, d.h., sie drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht, das in das Molekül eingestrahlt wird. Es sei darauf verwiesen, dass sich der Drehsinn nicht aus der absoluten Konfiguration ableiten lässt. So ist D-Glucose rechtsdrehend (+), D-Fructose mit der gleichen absoluten Konfiguration der Chiralitätszentren ist linksdrehend (–).

MERKE

Mit Ausnahme von Dihydroxyaceton haben alle Kohlenhydrate mindestens ein chirales Kohlenstoffatom, sind also optisch aktiv. Ein Zucker gehört zur D-Reihe, wenn die Konfiguration des Kohlenstoffatoms, das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist, mit der von D-Glycerinaldehyd übereinstimmt.

Chemische Eigenschaften und Reaktionen der Monosaccharide

Zyklisierung und Anomerie
Ringformen In wässrigen Lösungen liegen gerade die wichtigsten Monosaccharide nicht als offene Ketten, sondern als ringförmige (zyklische) Verbindungen vor. Dies beruht auf der Chemie der Carbonylgruppe, die mit einer alkoholischen Hydroxylgruppe zu einem Halbacetal oder einem Halbketal reagieren kann. Die nucleophile Addition läuft bei den Pentosen und Hexosen, aber auch bei längerkettigen Monosacchariden intramolekular so ab, dass thermodynamisch stabile Sechs- oder Fünfringe entstehen. Die sechsgliedrigen Ringformen heißen Pyranosen, da sie formal als Derivate des heterozyklischen Pyrans angesehen werden können (Abb. 5.3). Wegen ihrer Ähnlichkeit mit Furan werden die fünfgliedrigen Ringe als Furanosen (Abb. 5.4) bezeichnet.
Anomerie Bei der Additionsreaktion wird am Carbonylkohlenstoffatom ein neues chirales Zentrum geschaffen. Da der Angriff der Hydroxylgruppe von zwei verschiedenen Seiten erfolgen kann, sind zwei stereoisomere Produkte mit entgegengesetzter Konfiguration möglich. Diese Formen bezeichnet man als Anomere mit dem Präfix oder . Die Konfiguration am Kohlenstoffatom, das die Hydroxylgruppe zur Verfügung stellt, bleibt erhalten. Im Fall der D-Glucose muss man also die beiden anomeren Verbindungen -D- und -D-Glucopyranose (Abb. 5.3) und im Fall der D-Fructose -D- und -D-Fructofuranose (Abb. 5.4) unterscheiden, obwohl der sechsgliedrige Ring in den freien Zuckern vorherrscht. In wässriger Lösung stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den beiden Anomeren ein, in dem die stabilere Form überwiegt. Die für die verschiedenen Monosaccharide tabellierten Drehwinkel für linear polarisiertes Licht wurden in derartigen Gleichgewichtsmischungen gemessen und weichen von den Drehwinkeln ab, die in Lösungen der reinen Anomeren gemessen werden. Mutarotation nennt man die allmähliche Änderung des Drehwinkels zum Gleichgewichtsdrehwinkel hin, wenn das reine Anomer eines Monosaccharids in Wasser gelöst wird. Ursache dieser Änderung ist die langsame Einstellung des Anomerengleichgewichts (Abb. 5.5, Reaktion 1).
Formeldarstellung Am Beispiel der D-Glucose sollen die verschiedenen Möglichkeiten der formelmäßigen Darstellung der Monosaccharide in ihren zyklischen Formen aufgezeigt werden (Abb. 5.3). Die Darstellung in der Fischer-Projektion bringt die Beziehung zur offenkettigen Form am besten zum Ausdruck. Die Haworth-Projektion gibt einen guten Eindruck von der räumlichen Anordnung (Konfiguration) des Rings und seiner Substituenten. Sie ist aber insofern irreführend, als der Ring selbst nicht planar ist, sondern die energiearme Sesselkonformation einnimmt, in der die Bindungswinkel an den Kohlenstoffatomen optimal sind und die sterische Hinderung der funktionellen Gruppen minimal ist (Abb. 5.3). Die Hydroxylgruppe an C(1) ist in der -anomeren Form axial angeordnet, in der -anomeren Form dagegen – sterisch günstiger – äquatorial. In wässriger Lösung liegen deshalb etwa zwei Drittel der Glucosemoleküle in der -anomeren Form vor.

MERKE

Monosaccharide bilden zyklische Halbacetale oder -ketale mit einem zusätzlichen asymmetrischen Zentrum. Die - und -anomeren Formen gehen in wässriger Lösung ineinander über (Mutarotation), bis eine Gleichgewichtsmischung erreicht ist, in der das stabilere Anomer überwiegt. Der Sechsring der D-Glucose liegt in der stabilen Sesselkonformation vor.

Glykosidische Bindung
Da Monosaccharide multifunktionelle Verbindungen sind, können sie eine Vielzahl von Reaktionen eingehen. Die Hydroxylgruppe am anomeren Kohlenstoffatom eines Monosaccharids reagiert in Gegenwart von Protonen leicht mit einem Alkohol unter Ausbildung von asymmetrischen gemischten (Voll-)Acetalen, den - und -Glykosiden. Die Bindung am anomeren Kohlenstoffatom wird glykosidische Bindung genannt und ist formal eine Etherbindung. So entsteht bei der Reaktion von -D-Glucose mit Methanol das Methyl--D-glucopyranosid mit axial stehender Methoxygruppe (Abb. 5.5, Reaktion 2). Verbindungen mit einer N-glykosidischen Bindung, die formal als Reaktionsprodukte der anomeren Hydroxylgruppe mit einem Amin angesehen werden können, sind biologisch sehr bedeutsam. So ist in den Nucleotiden das Ringstickstoffatom einer Purin- oder Pyrimidinbase über eine N-glykosidische Bindung mit C(1) von D-Ribose oder 2-Desoxy-D-Ribose verknüpft.

Schon gewusst

Komplexe Glykoside finden sich in Pflanzen. Der Kohlenhydratanteil dient der Solubilisierung ansonsten schlecht löslicher unpolarer Moleküle. Der Nichtkohlenhydratanteil wird auch als Aglykon bezeichnet. Vanillosid der Vanilleschote, Amygdalin der Mandeln oder Sinalbin im weißen Senf sind Beispiele. Die physiologischen Wirkungen vieler pflanzlicher Glykoside wurden schon lange in der Volksheilkunde genutzt, so etwa die analgetischen und antipyretischen Eigenschaften des Salicins aus der Weide (Salix). Die steroidalen Glykoside aus Digitalis oder Strophantus hemmen auf molekularer Ebene die Na+-K+-ATPase und werden zur Behandlung von Herzschwäche oder Herzrhythmusstörungen eingesetzt (Abb. 5.6).

MERKE

Monosaccharide bilden mit Alkoholen oder Aminen O- oder N-glykosidische Bindungen am anomeren Kohlenstoffatom aus. N-glykosidische Bindungen zwischen Purin- und Pyrimidinbasen und Ribose oder Desoxyribose kommen in den Nucleotiden vor, O-glykosidische Bindungen in vielen Naturstoffen (Digitalisglykoside).

Reduktion und Oxidation
Polyole Wird die Carbonylgruppe der Monosaccharide reduziert, so erhält man Zuckeralkohole (Polyole). Aus D-Glucose entsteht so D-Glucitol (Sorbitol), D-Mannose und D-Galaktose werden zu D-Mannitol und D-Galaktitol. Sorbitol (Abb. 5.5, Reaktion 3) und andere Polyole sind in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet, z.B. als Zuckeraustauschstoffe, die süß schmecken, aber kaum metabolisiert werden. Ein Nebenweg der Glykolyse, der sog. Polyolweg, könnte für Spätfolgen des Diabetes verantwortlich sein (Kap. 5.2.7).
Desoxyzucker In den Desoxyzuckern (engl. deoxy) ist mindestens ein Kohlenstoffatom vollständig reduziert. Die 2-Desoxy-D-ribose ist ebenso wie die Ribose Komponente der Nucleinsäuren. Beide Monosaccharide liegen in den Nucleotiden in der Furanoseform vor (Abb. 5.4).

Blick ins Labor

Radioaktiv markierte 2-Desoxy-D-Glucose ist ein wertvolles Hilfsmittel zur Aufklärung des Glucoseumsatzes in Geweben und Zellkulturen: Die Verbindung wird vom Glucosetransporter und von der Hexokinase als Substrat akzeptiert, aber nicht mehr weiter metabolisiert (Kap. 5.2.2). Die Anreicherung von 2-Desoxy-D-glucose-6-phosphat, die autoradiographisch in Gewebeschnitten gemessen wird, zeigt dann Orte hoher Stoffwechselaktivität an. So kann man z.B. auch herausfinden, welche Gehirnpartien an bestimmten kognitiven oder motorischen Leistungen beteiligt sind. Eine Weiterentwicklung der

Methode benutzt 18F-markierte Desoxyglucose und die Positronenemissionstomographie (PET) zur Lokalisation des Metaboliten.

Zuckersäuren Die Carbonylgruppe der Monosaccharide wird leicht chemisch oder enzymatisch oxidiert, man spricht deshalb auch von reduzierenden Zuckern. Diese Oxidation führt zu einer Klasse von Zuckersäuren, den Onsäuren. Als Beispiel sei nur die aus der D-Glucose entstehende D-Gluconsäure erwähnt, die in phosphorylierter Form im Kohlenhydratstoffwechsel eine wesentliche Rolle spielt. Die Säure liegt normalerweise als intramolekularer Ester vor (Lacton, hier: D-Gluconolacton), da durch Wasserabspaltung ein energetisch günstiger Sechsring entsteht (Abb. 5.5, Reaktion 4).
Andererseits kann in den Monosacchariden auch die endständige –CH2OH-Gruppe bis zur Stufe einer Carbonsäure oxidiert sein. In diesem Fall spricht man von Uronsäuren (z.B. D-Glucuronsäure, Abb. 5.5, Reaktion 5). Sie sind Komponenten vieler Polysaccharide, üben aber insbesondere die spezielle Funktion aus, schwer lösliche körpereigene Stoffe und potenziell toxische Xenobiotika als Glykoside der Ausscheidung zuzuführen. Auch die Uronsäuren liegen in freier Form als Lacton vor. Eine biologisch wichtige Zuckersäure ist die Ascorbinsäure (Vitamin C), die aus D-Glucose hergestellt wird.
Phosphorylierung und Aminierung
Phosphorylabkömmlinge der Monosaccharide wie das D-Glucose-6-phosphat (Abb. 5.5, Reaktion 6) sind wichtige Intermediate im Kohlenhydratstoffwechsel und werden in Kap. 5.2 ausführlich erörtert. Ist eine Hydroxylgruppe, normalerweise an C(2), durch eine Aminogruppe ersetzt, so erhält man einen Aminozucker. D-Glucosamin (Abb. 5.5, Reaktion 7) und D-Galaktosamin kommen in vielen Polysacchariden vor. D-Galaktosamin findet sich darüber hinaus in Glykolipiden. N-Methyl-L-glucosamin ist ein Bestandteil des Antibiotikums Streptomycin. In vielen Fällen ist die Aminogruppe acetyliert (N-Acetyl-D-glucosamin). Wichtige Bausteine struktureller Polysaccharide sind die N-Acetylmuraminsäure in der Bakterienzellwand und die N-Acetylneuraminsäure (Abb. 5.7). N-Acylderivate der Neuraminsäure werden auch Sialinsäuren genannt. Sie sind wesentliche Komponenten von Schleimstoffen (Muzine), und in Glykolipiden (Gangliosiden) und Glykoproteinen sind sie Bestandteile der Plasmamembran von Säugerzellen. Neutrale und saure Glykosphingolipide (Cerebroside, Ganglioside) kommen v.a. in den Membranen des Nervensystems vor.

Merke

Monosaccharide gehen vielfältige chemische Reaktionen ein, u.a. Reduktion zu Zuckeralkoholen, Oxidation zu Zuckersäuren oder Austausch einer OH-Gruppe gegen –NH2 (Aminozucker). Zuckerphosphate sind wichtige Intermediate im Kohlenhydratstoffwechsel. In Desoxyzuckern ist mindestens ein Kohlenstoffatom vollständig reduziert.

Disaccharide und Oligosaccharide

Disaccharide
Eine glykosidische Bindung wird auch bei der Reaktion des anomeren Kohlenstoffatoms eines Monosaccharids mit der halbacetalischen oder einer alkoholischen Hydroxylgruppe eines weiteren Monosaccharids gebildet. Die entstehenden Disaccharide sind oft unter ihrem Trivialnamen bekannt (Abb. 5.8). In einer systematischen Nomenklatur werden die konstituierenden Monosaccharide aufgeführt und die Positionszahlen der beteiligten Kohlenstoffatome angegeben. Die hier beschriebene O-glykosidische Bindung (formal ein Ether) ist von der N-glykosidischen zu unterscheiden, in der ein Reaktionspartner ein Aminozucker ist.
Saccharose (Rohrzucker, engl. sucrose) ist in der Pflanzenwelt weit verbreitet und wird als der gewöhnliche Haushaltszucker aus Zuckerrohr und Zuckerrüben gewonnen. Saccharose ist ein Disaccharid aus Glucose und Fructose und wird in einer systematischen Nomenklatur als O--D-Glucopyranosyl-1,2--D-fructofuranosid bezeichnet. Es sind also die beiden anomeren Kohlenstoffatome stereochemisch eindeutig miteinander verbunden. Vereinfacht kann das Molekül als -Glucosyl-1,2--fructosid geschrieben werden (Abb. 5.8). Aufgrund der Verknüpfung wirkt Saccharose in chemischen Reaktionen nicht als reduzierender Zucker, da die reaktiven Aldehyd- und Ketongruppen der beiden Monomere verbunden sind. In wässriger Lösung dreht das Disaccharid zwar linear polarisiertes Licht, zeigt aber keine Mutarotation. Bei Hydrolyse der glykosidischen Bindung entsteht eine äquimolare Mischung aus D-Glucose und D-Fructose, deren Anomerengleichgewichte sich dann einstellen. Es ändern sich also der Betrag und in diesem Fall auch die Richtung des Drehsinns, sodass von einer Inversion gesprochen und dieses Monosaccharidgemisch als Invertzucker bezeichnet wird. Die Hydrolyse wird durch das Enzym Invertase katalysiert. Invertzucker liegt im Honig vor, nach Aufbereitung des Blütennektars durch die Bienen. In der präparativen Biochemie wird Saccharose zur Herstellung von Dichtegradienten verwendet, v.a. bei Nucleinsäuren.
Das Disaccharid Trehalose, -Glucosyl-1,1--glucosid, ist reichlich in Pilzen, Hefen und in der Hämolymphe von Insekten vorhanden. Es wird biotechnologisch zum Schutz von Zellen bei der Kryokonservierung eingesetzt.
Maltose, -Glucosyl-1,4-glucosid, und Lactose, -Galactosyl-1,4-glucosid, sind Beispiele für Disaccharide, in denen das zweite Monosaccharid ein freies anomeres Kohlenstoffatom besitzt, das in der - und -Konfiguration vorkommen kann und reduzierend wirkt (Abb. 5.8). Maltose ist ein Zwischenprodukt beim amylasekatalysierten Abbau der Stärke und kommt in Samenkeimlingen (Gerstenmalz) vor. Lactose (Milchzucker) ist mit einem Anteil von bis zu 7,5% in Milch enthalten.
Oligosaccharide
In Oligosacchariden sind drei bis neun monomere Einheiten in der Regel linear miteinander verknüpft. Für jede glykosidische Bindung müssen die beteiligten Kohlenstoffatome und die Stereochemie angegeben werden. In der Natur ist v.a. das Trisaccharid Raffinose aus Galaktose, Glucose und Fructose quantitativ von Bedeutung. Es findet sich in Zuckerrüben und anderen höheren Pflanzen. Maltodextrin ist ein Gemisch aus Oligosacchariden, das als Verdickungsmittel in Lebensmitteln verwendet wird, während es Ausdauersportler als geschmacksneutralen Energielieferanten konsumieren. Etwa 10% der Muttermilch bestehen aus Oligosacchariden, die bedeutsam für die Organentwicklung und die Regulation der frühkindlichen Darmflora sind. In gebundener Form sind Oligosaccharideinheiten Bestandteile der Glykoproteine (Kap. 5.1.5).

MERKE

In Disacchariden ist eine O-glykosidische Bindung zwischen zwei Zuckerbausteinen geknüpft. Wichtige Vertreter sind die Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) aus Glucose und Fructose, die über ihre anomeren Kohlenstoffatome -1,2-glykosidisch miteinander verknüpft sind, die Maltose aus zwei Glucoseeinheiten in -1,4-Verknüpfung und die Lactose (Milchzucker) aus Galaktose und Glucose in -1,4-Verknüpfung. Oligosaccharide sind v.a. als Bestandteile der Glykoproteine von Bedeutung.

Polysaccharide

Polysaccharide oder Glykane sind Kohlenhydrate von hoher Molekülmasse, die aus einer Vielzahl einfacher und modifizierter Monosaccharidbausteine zusammengesetzt sind. Dabei führen glykosidische Bindungen zu Verzweigungen der Polysaccharidkette. Vollständige Hydrolyse durch Säure oder spezifische Enzyme setzt die monomeren Bausteine frei.
Homoglykane enthalten nur eine Sorte von Bausteinen. Die Speicherpolysaccharide Glykogen und Stärke sowie das Strukturpolysaccharid Zellulose sind nur aus Glucose aufgebaut und werden deshalb als Glucane bezeichnet.
Heteroglykane dagegen sind aus verschiedenen Monosaccharidbausteinen zusammengesetzt und enthalten in besonderem Ausmaß Monosaccharidderivate wie Aminozucker oder Uronsäuren. Sie sind fast ausschließlich mit Proteinen (Proteoglykane, Glykoproteine) oder Lipiden (Glykolipide als Membranbestandteile) verknüpft.
Glykogen und Stärke
Für eine Zelle ist es sinnvoll, sich einen Vorrat an Kohlenhydraten anzulegen. Der Vorratshaltung von monomeren Zuckermolekülen ist allerdings eine Grenze gesetzt: Steigende Konzentration würde zu einer Zunahme des intrazellulären osmotischen Drucks führen, der Versuch eines Ausgleichs durch Wasseraufnahme ließe die Zelle anschwellen, und sie würde schließlich platzen. Da der osmotische Druck nur von der Anzahl der Teilchen in einem Volumenelement abhängt, ist der Einbau vieler Monosaccharide in wenige polymere Speichereinheiten ein Ausweg aus diesem Dilemma. Die Speicherpolysaccharide werden im Zytoplasma der Zellen in Form von Körnchen (Granula) abgelegt. Glykogen bei Tieren und Stärke in Pflanzen sind die weitestverbreiteten Speicherpolysaccharide. Tiere können die pflanzlichen Speicherkohlenhydrate enzymatisch abbauen und somit deren monomere Einheiten zur Energiegewinnung nutzen.
Glykogen Das hauptsächliche Speicherpolysaccharid in tierischen Zellen ist das Glykogen, das besonders in den Hepatozyten der Leber vorkommt, in denen es bis zu 15% des Nassgewichts ausmachen kann. Glykogen findet sich auch in der Skelettmuskulatur (1–2%) und in den Astrogliazellen und Neuronen des ZNS. Glykogen ist ein hochverzweigtes Polysaccharid der D-Glucose mit -1,4-Verknüpfungen innerhalb eines Kettensegments und -1,6-Verknüpfungen an den Verzweigungspunkten, die etwa alle acht bis zehn Glucoseeinheiten vorkommen (Abb. 5.9). Ein Glykogenkörnchen kann aus bis zu 60.000 Glucoseeinheiten bestehen und in Hepatozyten einen Durchmesser von 30 nm erreichen (-Partikel). Zusätzlich enthält es ein Protein, das Glykogenin. 20–40 dieser Körnchen lagern sich zu großen Glykogengranula von 100–150 nm Durchmesser zusammen und bilden die -Partikel der Hepatozyten (Abb. 5.9).
Stärke Das Hauptspeicherpolysaccharid in pflanzlichen Zellen ist die Stärke. Sie ist ein Gemisch aus zwei Glucanen: der unverzweigten, wasserlöslichen -Amylose mit ihren bis zu etwa 1000 Glucosylresten in -1,4-Verknüpfung und dem bei etwa jedem 30. Baustein verzweigten, wasserunlöslichen Amylopectin mit durchschnittlich 5000–6000 Glucosylresten und Verzweigung in -1,6-Verknüpfung. Die Amylosehelix (Abb. 5.9) lagert Jodmoleküle aus alkoholischen Lösungen ein. Die resultierende Blau- bis Violettfärbung wird zum Stärkenachweis herangezogen. Kartoffelstärke besteht zu etwa 20% aus Amylose und 80% aus Amylopectin. Die Stärkekörner erreichen Durchmesser von bis zu 50 m.

MERKE

Polysaccharide sind lineare oder verzweigte Makromoleküle aus identischen (Homoglykane) oder verschiedenen (Heteroglykane) Monosaccharidbausteinen. Die Glucane Glykogen und Stärke sind die osmotisch inaktiven Speicherstoffe von Glucose im Tier und in der Pflanze. Die -glykosidischen Bindungen in der Amylose führen zu helikalen Überstrukturen.

Dextrane
Dextrane sind verzweigte Glucane mit wechselnden glykosidischen Bindungen, die als Speicherpolysaccharide in verschiedenen Mikroorganismen vorkommen, aus denen sie für tech
nische und biomedizinische Zwecke isoliert werden, z.B. für Chromatographiematerial und Blutplasmaersatzmittel. Medizinisch bedeutsam sind bakteriell produzierte Dextrane, da sie, zusammen mit Homoglykanen aus Fructose, einen wesentlichen Anteil der Zahnplaques darstellen. Die Dextrane werden an der Außenfläche von Bakterien wie Streptococcus mutans durch ein Enzym der Zellwand (Dextran-Saccharase) synthetisiert, das einen Glucosylrest aus Saccharose auf die wachsende Glucankette überträgt. Je nach Verzweigungsgrad bilden sich globuläre, lösliche oder fibrilläre, unlösliche Glucane. Letztere verkleben miteinander und dienen dem Bakterium zur Verankerung auf der Zahnoberfläche und als Schutz vor enzymatischen oder immunologischen Abwehrmechanismen des Wirts. Die bei der Dextransynthese aus Saccharose anfallende Fructose ist hauptsächliches Energiesubstrat der oralen Streptokokken. Bei ihrer Metabolisierung werden die organischen Säuren gebildet, die als erosive Agenzien im kariogenen Prozess wirken.
Zellwände
Viele Polysaccharide sind Strukturelemente der Zellwände von Pflanzen und Einzellern. Ihre Aufgabe ist es, den Zellen eine spezifische Gestalt zu geben und sie vor ungünstigen Umweltbedingungen zu schützen, v.a. vor Schwankungen der extrazellulären Osmolarität.
Zellulose Die Hauptkomponente pflanzlicher Zellwände ist die Zellulose, die damit die am häufigsten vorkommende organische Verbindung auf der Erde ist. In Holz beträgt ihr Anteil 50%, in Baumwolle über 90%. Zellulose ist ein unverzweigtes Glucan aus bis zu 10.000 D-Glucose-Einheiten, die glykosidische Bindung ist ausschließlich -1,4-geknüpft. So unterscheidet sich Zellulose von der Amyloseform der Stärke in der Anomerie von Verknüpfungen der Monosacchariduntereinheiten. Resultat ist eine fadenförmige Überstruktur statt einer helikalen, mit einer hohen Zugfestigkeit. Die meisten Säugetiere können Zellulose nicht abbauen, da in ihrem Verdauungssystem Enzyme fehlen, die die -1,4-glykosidische Bindung hydrolysieren. Im Pansen der Wiederkäuer sezernieren symbiontische Mikroorganismen das Enzym Cellulase, das eine vollständige Hydrolyse des Polysaccharids katalysiert und die Glucoseeinheiten einer Verwertung im Stoffwechsel des Wirts zugänglich macht. In der pflanzlichen Zellwand werden Zellulosefibrillen durch zusätzliche Polysaccharide und Glykoproteine miteinander verklebt.
Chitin Im Exoskelett wirbelloser Tiere, wie z.B. Insekten, ist Chitin ein wichtiger Bestandteil, ein Homoglykan aus N-Acetylglucosamin. Wegen der Häufigkeit dieser Organismen ist es von großer Bedeutung für die Biomasse der Erde.
Bakterielle Zellwand Die strukturelle Grundlage der bakteriellen Zellwand ist das Murein. Darin bauen Disaccharide aus N-Acetyl-D-glucosamin und N-Acetylmuraminsäure in -1,4-Bindung parallele Polysaccharidketten auf, die durch Oligopeptidketten miteinander verknüpft sind (Abb. 5.10). Dieses Peptidoglykan bildet eine oder mehrere Schichten um die Zelle und kann mehr als die Hälfte der Trockenmasse einer Zellwand ausmachen.
Zusätzliche Biopolymere vervollständigen die Architektur der Zellwand. Sie entscheiden über die Konsistenz (von schleimig bis hart) und bieten Möglichkeiten zur taxonomischen und serotypischen Klassifizierung. Mit einem von Gram (1884) eingeführten Färbeverfahren lassen sich grampositive von gramnegativen Bakterien unterscheiden. Bei den grampositiven Bakterien ist das Mureinnetz bis zu 40 Schichten dick und mit den aus Zuckeralkoholen aufgebauten Teichonsäuren und weiteren Polysacchariden besetzt. Bei den gramnegativen Bakterien ist das Mureinnetz einschichtig, aber äußerst komplex ergänzt. Polypeptide, Lipoproteine und v.a. ein selbst wieder komplex aufgebautes Lipopolysaccharid determinieren hier letztlich ein Oberflächenmuster hoher Vielfalt, das vom Immunsystem erkannt und unterschieden werden kannt.
Bakterizide Therapie Die bakterielle Zellwand ist der Angriffspunkt bakterizider Therapien. Sie ist allerdings nicht leicht angreifbar: Das Murein ist vor Proteasen geschützt, da in der Quervernetzung auch D-Aminosäuren eingebaut sind. Dagegen werden grampositive Bakterien durch die Einwirkung des Enzyms Lysozym lysiert, das als Glucosidase die glykosidische Bindung des Polysaccharidrückgrats löst. Viele Antibiotika greifen in wesentliche Schritte der Biosynthese von bakteriellen Zellwänden ein und hemmen dadurch die Vermehrung der Mikroorganismen. So inhibiert Bacitracin die Verlängerung der Polysaccharidkette um eine Disaccharideinheit, während Penicillin die Quervernetzung zweier Peptidoglykaneinheiten durch Inhibition der dazu nötigen Glykopeptid-Transpeptidase verhindert.

Klinik

Nach Penicillingabe bei bakterieller Meningitis kann sich das Krankheitsbild vorübergehend verschlimmern, da die Zellwandtrümmer die Blut-Hirn-Schranke für weitere Bakterien erst recht durchlässig machen.

Schon gewusst

Lysozym findet sich reichlich in Tränenflüssigkeit und Eiklar und wird aus Letzterem isoliert, um bei Racheninfektionen als Bestandteil von Lutschtabletten Verwendung zu finden. Da das Enzym aus dem Hühnerei für den menschlichen Körper ein Fremdprotein darstellt, sind allergische Reaktionen nicht ausgeschlossen.

MERKE

Zahnplaques, die Karies fördern, bestehen aus Glucanen der Bakterienoberfläche, den Dextranen. Zellulose, ebenfalls nur aus Glucoseeinheiten aufgebaut, bildet die Zellwand von Pflanzen. Die -glykosidischen Verknüpfungen lassen lange lineare Ketten hoher Zugfestigkeit entstehen. Die bakterielle Zellwand enthält u.a. ein Peptidoglykan (Murein), dessen Synthese der Angriffspunkt vieler Antibiotika (Penicillin) ist.

Glykosaminoglykane, Proteoglykane und Glykoproteine

In vielen Gewebebestandteilen finden sich lange Heteroglykane mit besonderen Eigenschaften: Sie sind aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten aufgebaut, in denen ein Monosaccharid ein Hexosamin (D-Glucosamin, D-Galaktosamin oder ihre N-acetylierten Derivate) und das andere meist Glucuronsäure ist. Aufgrund dieser Strukturmerkmale werden diese Heteroglykane als Glykosaminoglykane bezeichnet. Zusätzlich zur Carbonsäurefunktion kann eine Schwefelsäuregruppe zur Azidität der Verbindungen beitragen. Wegen dieser Eigenschaft und des hauptsächlichen Vorkommens in Schleimen werden die Verbindungen auch saure Mucopolysaccharide genannt.
Sind die Heteroglykane mit einfach gebauten Polypeptidgerüsten (in O-glykosidischer Bindung an Serylresten) verknüpft, so bezeichnet man sie als Proteoglykane. Der Polypeptidanteil beträgt nur wenige Prozent. In Glykoproteinen ist der Anteil an Kohlenhydratresten sehr variabel.
Glykosaminoglykane
Hyaluronsäure ist ein Polymer (Molekülmasse bis 3000 kDa), dessen Wiederholungseinheit aus D-Glucuronsäure und N-Acetyl-D-glucosamin in -1,3-Verknüpfung besteht. Die Verbindung der Disaccharideinheiten ist -1,4-glykosidisch (Abb. 5.11). Das bei physiologischem pH-Wert negativ geladene, längliche Molekül bindet viel Wasser und bildet hochvisköse Lösungen. Es findet sich in der extrazellulären Matrix des Bindegewebes, in der Synovialflüssigkeit der Gelenke und im Glaskörper des Auges. Eine Assoziation mit einem Polypeptid ist bisher nicht eindeutig beschrieben.
In den Chondroitinsulfaten (gr. chondros Knorpel, Molekülmasse 20–50 kDa) ist die D-Glucuronsäure -1,3-glykosidisch mit einem Derivat von N-Acetyl-D-galaktosamin verknüpft, in dem einzelne Hydroxylgruppen mit Schwefelsäure verestert sind (Abb. 5.11). Die Chondroitinsulfate finden sich in großen Mengen im Knorpel, im Bindegewebe, in der Haut und in der Cornea. Dermatansulfat der Haut und des Bindegewebes und Keratansulfat in Knorpel und Cornea sind weitere Beispiele sulfatierter Glykosaminoglykane.
Heparin, das in den Mastzellen von Leber und Lunge vorkommt, wirkt stark gerinnungshemmend. Als potente Substanz zur Gerinnungshemmung wird es in der Antikoagulanzientherapie bei Herzinfarkt und Thrombose eingesetzt. Heparin bindet an Antihrombin III, ein Enzym, das aktive Gerinnungsfaktoren hemmt. Dadurch läuft diese Hemmreaktion etwa 1000-mal schneller ab.
Genetisch bedingte Mängel im lysosomalen Abbau der Glykosaminoglykane führen zu den Krankheitsbildern der Mucopolysaccharidosen.

MERKE

Hyaluronsäure und die sauren Proteoglykane, die v.a. Chondroitinsulfat und Keratansulfat enthalten, sind hochpolymere Verbindungen der extrazellulären Matrix und des Knorpelgewebes. Mucopolysaccharidosen entstehen bei einem genetisch bedingten Mangel im lysosomalen Abbau der Glykosaminoglykane.

Glykoproteine
Wohl alle Proteine auf der extrazellulären Oberfläche der Plasmamembran und viele sezernierte Proteine tragen kovalent gebundene Oligosaccharidreste, die posttranslational im endoplasmatischen Retikulum oder im Golgi-Apparat an die Polypeptidkette angefügt werden. Diese Proteine werden Glykoproteine genannt. In der Mehrheit der Fälle ist das Oligosaccharid N-glykosidisch mit der Amidgruppe eines Asparaginylrests verknüpft (Abb. 5.12). Weniger häufig ist eine O-glykosidische Bindung mit einem Seryl- oder – noch seltener – einem Threonylrest. Die Oligosaccharidkette kann aus einer Vielzahl verschiedener Monosaccharide bestehen, sie kann linear oder verzweigt sein. Als Monosaccharidbausteine findet man Glucose, Galaktose und ihre N-acetylierten Aminderivate sowie Mannose, die Desoxyhexose L-Fucose und Sialinsäuren.
Der Kohlenhydratanteil der Glykoproteine reicht von wenigen Prozent der Molekülmasse, z.B. in Ribonuclease oder Lysozym, bis zu 85% in Blutgruppenantigenen. Von den humanen Plasmaproteinen sind nur wenige nicht glykosyliert, wie etwa Albumin und Präalbumin. Das Glykosylierungsmuster an ein und demselben Protein kann variieren (Mikroheterogenität), sodass bei genügender Auflösung in der Polyacrylamidgel-Elektrophorese ein Bandenmuster verschiedener Molekülmassen sichtbar werden kann.
Glykoproteine der Muzinklasse können wegen der gegenseitigen Abstoßung der negativ geladenen Säurereste nur eine gestreckte Form annehmen. Das ist die Ursache für die hohe Viskosität der Glykoproteinlösungen, die deren Funktion als Schutzstoffe und Gleitmittel v.a. in Schleimhäuten und in extrazellulären Flüssigkeiten ermöglicht. Glykoproteine der Erythrozytenmembran spezifizieren über die endständigen Monosaccharide das AB0-System der Blutgruppen.

Schon gewusst

Glykoproteine verhindern als Gefrierschutzproteine im Serum arktischer Fische die Bildung von Eis, indem sie sich an Kristallkeime anlagern, und ermöglichen so den Tieren ein Überleben bei einer Wassertemperatur von –2 C. Membranglykoproteine, aber auch Membranglykolipide, wie die Ganglioside des Nervensystems, tragen wesentlich zur Zell-Zell-Erkennung und Adhäsion bei, sind also wichtige Moleküle für die dynamischen Prozesse der Ausbildung und Aufrechterhaltung morphologischer Muster.

Oberflächenkohlenhydrate und die ihnen entsprechenden Kohlenhydratrezeptoren (Lektine) spielen eine Rolle bei der Befruchtung der Säugeroozyte (Glykoprotein ZP-3 der Zona pellucida) durch das Spermium, bei der Wanderung der Lymphozyten aus dem Blut zu den peripheren Lymphknoten (Homing) oder bei der Endozytose zirkulierender Plasmaglykoproteine. Letztere werden nach Entfernung der terminalen N-Acetylneuraminsäurereste an den Asialoglykoproteinrezeptor der Hepatozyten gebunden, internalisiert und dem lysosomalen Abbau zugeführt.

Musterbildung ist insbesondere für das Nervensystem essenziell, in dem eine Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen räumlich und zeitlich geordnet miteinander kommunizieren muss. Definierte Kohlenhydratepitope auf Molekülen wie dem NCAM (neural cell adhesion molecule) ermöglichen neurale Zell-Zell-Erkennung und vielleicht auch Neuritenwachstum.

MERKE

Membranproteine und die meisten sezernierten Proteine sind über N- (Asparagin) oder O-glykosidische Bindungen (Serin und Threonin) mit Oligosaccharidketten verknüpft. Membranglykoproteine tragen wesentlich zur Erkennung und Adhäsion von Zellen während der Morphogenese bei. Das AB0-System der Blutgruppen basiert auf leicht unterschiedlichen Oberflächenzuckern der Erythrozyten.

Stoffwechsel der Kohlenhydrate

Verdauung und Absorption der Kohlenhydrate

Kohlenhydrate werden dem Körper mit der Nahrung als Monosaccharide (Honig und Früchte), Disaccharide (Milch, Haushaltszucker) und Polysaccharide zugeführt, Letztere v.a. über Getreideprodukte oder Kartoffeln in Form der beiden Komponenten von Stärke, Amylose und Amylopectin. Glykogen in Fleisch, insbesondere Leber, ist quantitativ von geringerer Bedeutung. Durchschnittlich werden etwa 45% der täglich benötigten Kalorienzufuhr durch die Kohlenhydrate der Nahrung gedeckt.
Funktion des Speichels
Mit der Verdauung der -glykosidisch verknüpften Glucane durch die -Amylase des Speichels (auch Ptyalin genannt) wird schon in der Mundhöhle begonnen (Abb. 5.13). Das Enzym macht 10% aller Speichelproteine aus, und sein pH-Optimum liegt zwischen 6 und 7. Somit ist die -Amylase im Gemisch mit dem mechanisch zerkleinerten Nahrungsbrei nur so lange aktiv, bis der pH-Wert im Magen bei Durchtränkung mit dem sauren Magensaft unter 4 sinkt.
Die -Amylase ist eine Hydrolase, die ausschließlich -glykosidische Bindungen innerhalb der unverzweigten Kettenanteile angreift (Endoamylase). Produkt der Reaktion ist nicht Glucose, sondern sind Dextrine aus vier bis zehn Glucosylresten, die bei unvollständiger Hydrolyse durch kurze Verweilzeit im Mund entstehen. Ein vollständiger Abbau der Glucane führt zu Maltose und kurzen Verzweigungsbruchstücken (Isomaltose und Maltotriose). Er ist auf jeden Fall am Ende des Duodenums erreicht, in das eine eigene -Amylase aus dem Pankreas sezerniert wird. Somit finden sich in den folgenden Darmabschnitten neben den Monosacchariden Disaccharide, die direkt mit der Nahrung aufgenommen wurden (Saccharose und Lactose) oder indirekt aus Stärke und Glykogen stammen (Abb. 5.13).
Da die Enzyme im Verdauungstrakt des Menschen keine Heteroglykane aus Fleisch oder Zellulose in Pflanzenprodukten abbauen können, werden diese Verbindungen unverändert ausgeschieden. Vor allem die fasrige Zellulose ist dabei ein wertvoller Ballaststoff, der die Darmperistaltik anregt und als Füllstoff eine unnötige Aufnahme von Nahrung verhindert.

MERKE

Die verdaubaren Polysaccharide der Nahrung, die Glucane Stärke und Glykogen, werden durch -Amylasen des Speichels und des Pankreas in Mund und Duodenum zu Dextrinen, Isomaltose und Maltotriose sowie Maltose abgebaut.

Glykosidasen
Die vollständige Hydrolyse der Disaccharide im Darm wird durch Enzyme aus der Familie der Glykosidasen katalysiert, die z.T. aus dem Bürstensaum der Mukosamikrovilli sezerniert werden und z.T. auf deren Oberfläche sitzen. Sie sind jeweils spezifisch für das Monosaccharid, das die glykosidische Hydroxylgruppe liefert, und die Stereochemie der glykosidischen Bindung. Folglich spaltet die -Glucosidase sowohl Maltose als auch Saccharose, die -Galaktosidase (Lactase) hydrolysiert Lactose. Da in der Saccharose beide Monosaccharide über ihre glykosidischen Hydroxylgruppen miteinander verknüpft sind, gibt es in der Hefe ein zweites saccharosespaltendes Enzym, die -Fructofuranosidase, die auch Saccharase genannt wird. Isomaltase spaltet die -1,6-glykosidischen Bindungen der verzweigten Bruchstücke.

Klinik

Die häufigste Störung des Kohlenhydratabbaus in den Verdauungsorganen ist die Lactoseintoleranz. Bei den Betroffenen ist die Aktivität der Lactase zum Zeitpunkt der Geburt noch normal, nach Ende der Säuglingszeit kommt es jedoch mit zunehmendem Alter zu einer genetisch bedingten Abnahme der Enzymaktivität. Diese geht über die physiologische, bei allen Erwachsenen zu beobachtende reversible Reduktion weit hinaus, die auf der ernährungsbedingten Verringerung der Lactosezufuhr beruht.

Die Lactoseintoleranz tritt im nördlichen und mittleren Europa nicht so häufig auf wie in Südeuropa, Afrika und Asien, vielleicht eine evolutionäre Anpassung an die geographische Verbreitung der Milchwirtschaft. Hoher Milchkonsum führt aber auch zu einer Induktion der Lactase in der Intestinalmukosa. Von der geschilderten Lactoseintoleranz abzugrenzen sind der seltene kongenitale Lactasemangel (Alaktasie) und ein Lactasemangel als Begleiterscheinung von gastrointestinalen Erkrankungen oder nach Verabreichung bestimmter Antibiotika. Alle Krankheitsbilder sind durch Durchfall und Blähungen charakterisiert, da nicht verdaute Lactose im Darm osmotisch Wasser bindet und von den Bakterien der Darmflora teilweise bis zu CO2 abgebaut wird. Therapiemöglichkeiten sind Verzicht auf Milch und Milchprodukte oder deren Vorbehandlung mit Lactase.

MERKE

Im Darm hydrolysieren spezifische Glykosidasen die Disaccharide Maltose, Saccharose und Lactose zu den Monosacchariden. Ein -Galactosidase-Mangel ist Ursache der Lactoseintoleranz. In diesem ersten Abschnitt des Kohlenhydratkatabolismus entsteht keine verwertbare Energie.

Glucosetransporter
SGLT-Familie Aus dem Darm müssen die Monosaccharide in das Blut aufgenommen werden. Dies erfolgt über transzellulären Transport durch die Epithelzellen der Darmmukosa hindurch (Abb. 5.13). Die Mechanismen der einzelnen Transportvorgänge sollen am Beispiel der Glucose erläutert werden. Das Monosaccharid muss aus dem großen Darmlumen wie aus einer sehr verdünnten Lösung in den Epithelzellen angereichert werden. Dazu wird der Konzentrationsgradient der Na+-Ionen ausgenutzt, die extrazellulär im Überschuss vorliegen. Die Aufnahme von Glucose in die Epithelzellen erfolgt im Symport mit zwei Na+-Ionen als sekundär aktiver Transport. Als spezielles Transportprotein für diese Aufgabe wurde SGLT (sodium-dependent glucose transporter) identifiziert. Es stellte sich heraus, dass das Protein Mitglied einer Familie von Carrierproteinen ist, die ihre Substrate im Symport mit Na+ in die Zelle transportieren. Das Protein akzeptiert Aldohexosen wie D-Glucose und D-Galaktose als Substrate, aber auch Derivate wie Methyl--D-glucopyranosid. Die Isoform SGLT1 wird auf der luminalen (apikalen) Seite der Dünndarmzellen exprimiert, sie kann aber auch in der Niere und in Neuronen des ZNS nachgewiesen werden. Ein Defekt in SGLT1 hat die kongenitale Glucose-Galaktose-Malabsorption zur Folge, die aufgrund schwerer Diarrhö schon beim Neugeborenen tödlich verläuft, sofern nicht Glucose, Galaktose und Lactose aus der Nahrung entfernt werden.
GLUT-Familie Auf der Gewebeseite geben die Darmepithelzellen Glucose an den Interzellularraum und somit letztlich in das Blut ab (Abb. 5.13). Dies erfolgt dem Konzentrationsgefälle nach durch passiven Transport, der auch erleichterte Diffusion genannt wird. Das den Transport vermittelnde Protein ist die Isoform GLUT2 aus der GLUT-Familie (Glucose Transporter) der Hexosetransporter. Bis jetzt sind 13 Mitglieder der GLUT-Familie entdeckt worden, die sich in der Substratspezifität, ihren kinetischen Eigenschaften und der gewebespezifischen Expression unterscheiden. Einige davon sind in Tab. 5.2 aufgeführt. Die Expression kann zusätzlich während der Ontogenese variieren, die kinetischen und regulatorischen Eigenschaften spiegeln die physiologischen Funktionen wider (Tab. 5.2). Es ist ersichtlich, dass GLUT1 aus einem äquimolaren Gemisch von Glucose und Galaktose die erstere Hexose bevorzugt transportieren würde, weil der Transporter zu Glucose eine höhere Affinität (niedrigerer Km) hat.
GLUT2 ist eine Isoform mit hohem Km-Wert für Glucose und wird in Hepatozyten, -Zellen des Pankreas und der basolateralen Membran der Epithelzellen des Dünndarms und der Niere exprimiert. Aldohexosen sind für GLUT5 schlechte Substrate, die Isoform ist dagegen ein guter Transporter für die Ketohexose Fructose.

MERKE

Das Na+-abhängige Glucosetransportprotein SGLT1 überführt die Aldohexosen aus dem Darmlumen in die Epithelzellen der Mukosa (sekundär aktiver Transport). Auf der abluminalen Seite vermittelt ein Transportprotein der GLUT-Familie den Export der Hexosen (erleichterte Diffusion).

Blick ins Labor

Die funktionelle Expression von SGLT oder GLUT kann v.a. in Zellkulturen durch eine Reihe von Experimenten unterschieden werden. Ein bevorzugtes Modellsubstrat von SGLT ist Methyl--D-glucopyranosid, das von Mitgliedern der GLUT-Familie nicht transportiert wird. Die Transportaktivität von SGLT verschwindet, wenn nicht gleichzeitig Na+ extrazellulär vorhanden ist oder wenn die ATP-Produktion der Zelle gehemmt wird, da der Na+-Gradient durch die Na+-K+-ATPase aufrechterhalten wird. Inkubiert man also Zellen mit radioaktiv markierter D-Glucose (oder besser: 2-Desoxy-D-glucose) und findet trotz der Gegenwart von Ouabain (ATPase-Inhibitor) Radioaktivität in Zelllysaten, so muss ein Mitglied der GLUT-Familie für die Glucoseaufnahme verantwortlich gewesen sein. Denselben Befund muss man auch erhalten, wenn Na+ im Medium isoton durch ein anderes Kation, z.B. Cholin, ersetzt wird.

Die Glykolyse

Die Glykolyse war der erste Stoffwechselweg, dessen Intermediate und Enzyme vollständig beschrieben wurden. Im Jahr 1897 veröffentlichte Eduard Buchner, damals Professor für Physiologische Chemie an der Universität Tübingen, seine Entdeckung, dass in einem zellfreien Hefeextrakt der Abbau von Glucose zu Ethanol und CO2 stattfinden kann. Die Engländer A. Harden und W. J. Young berichteten zu Beginn des 20. Jahrhunderts, dass während der alkoholischen Gärung intermediär phosphorylierte Hexosederivate entstehen. Außerdem entdeckten sie, dass eine hitzelabile Fraktion des Hefeextrakts (ihrer Vermutung nach Enzyme) und eine hitzestabile Fraktion nur zusammen den Gärungsprozess erlauben. Erst später wurden als hitzestabile Verbindungen das Coenzym NAD+ und die Adeninnucleotide ADP und ATP identifiziert.
Die deutschen Biochemiker G. Embden und O. Meyerhof etablierten in den 30er Jahren die einzelnen Schritte und die Energiebilanz der Glykolyse. Deshalb wird gelegentlich noch vom Embden-Meyerhof-Weg gesprochen. O. Warburg in Berlin und das Ehepaar Cori in den USA vervollständigten das Wissen über die Enzymologie der Glykolyse und die glykolytische Aktivität einzelner Organe und ihr Zusammenspiel.
Mit der Entwicklung effizienter Techniken der Proteinreinigung und neuer biophysikalischer Methoden rückten in den 70er Jahren einzelne Enzyme der glykolytischen Sequenz in den Mittelpunkt des Interesses. Paradigmatisch wurden an Enzymen wie Hexokinase, Triosephosphat-Isomerase und v.a. Lactat-Dehydrogenase Prinzipien der enzymatischen Katalyse, der Proteinstruktur und der Proteinfaltung erarbeitet. Ergebnisse dieser Studien werden heute mit molekularbiologischen Methoden (ortsgerichtete Mutagenese) überprüft.
Anaerobe und aerobe Glykolyse
Unter anaerober Glykolyse versteht man den Abbau von Glucose zu Milchsäure (Lactat, Tab. 5.3) in elf Reaktionsschritten (Abb. 5.14). Zu frühen Zeiten der Evolution auf der Erde stellte sie nur einen von mehreren metabolischen Wegen dar, mit deren Hilfe die Organismen in einer sauerstofffreien Atmosphäre Nährstoffe verwerteten. Dabei findet keine Nettooxidation statt, deshalb ist der Energiegewinn nur gering. Diese katabolen Stoffwechselwege, die man als Gärung oder Fermentation bezeichnet, wurden schon von L. Pasteur beschrieben. Je nach Endprodukt spricht man z.B. von Milchsäuregärung (Glykolyse im engeren Sinn) oder alkoholischer Gärung. Seit dem Übergang zu einer oxidierenden Atmosphäre wird die Glykolyse von vielen Mikroorganismen und höheren Lebewesen, deren Zellen Mitochondrien enthalten, nur noch als ein vorbereitender Weg im oxidativen Glucoseabbau benutzt: Die aerobe Glykolyse endet nach zehn Reaktionsschritten beim Pyruvat (Tab. 5.3), das schließlich unter hohem Energiegewinn vollständig oxidiert wird.
Die Glykolyse wird im Folgenden sehr ausführlich besprochen, da anhand der einzelnen Schritte Prinzipien des Intermediärstoffwechsels erläutert werden können, die bei später zu beschreibenden Stoffwechselwegen ebenfalls eine Rolle spielen. Die elf enzymkatalysierten Reaktionen der Glykolyse laufen im Zytosol der Zelle ab. Im Verlauf der Glykolyse von Glucose zu Pyruvat finden sich ausschließlich phosphorylierte Zwischenverbindungen (Abb. 5.14). Die negativ geladene Phosphorylgruppe bewirkt, dass die polaren Intermediate die unpolare Plasmamembran nicht passieren können und somit im Zytosol verbleiben. Wichtiger ist aber noch, dass in der Bindung der Phosphorylgruppe die Energie des jeweiligen Intermediats bewahrt wird, die sich schließlich im Gruppenübertragungspotenzial der terminalen Phosphorylgruppe von ATP wiederfindet.

Schon gewusst

Laut einer Theorie binden einige oder vielleicht alle Glykolyseenzyme an Elemente des Zytoskeletts oder schließen sich zu einem lockeren Multienzymkomplex zusammen. Für eine solche Assoziation funktionell zusammengehörender Enzyme wurde der Begriff Metabolon geprägt. Es ist allerdings schwer nachzuweisen, dass ein derartiger Komplex tatsächlich in der Zelle existiert, da bei der Aufreinigung aufgrund der kleinen Bindungskonstanten eine Dissoziation kaum zu vermeiden ist.

Eine mögliche supramolekulare Organisation der glykolytischen Enzyme ist auf jeden Fall von einem echten Multienzymkomplex wie der Pyruvat-Dehydrogenase zu unterscheiden.

MERKE

Die Aufklärung der Reaktionen der Glykolyse markiert den Beginn der modernen Biochemie, da die Untersuchung von zellfreien Extrakten bewies, dass Umsetzungen im Stoffwechsel nicht an das Leben geknüpft sind. Anaerobe Glykolyse und alkoholische Gärung als Beispiele für Fermentationen und die aerobe Glykolyse haben gemeinsame Charakteristika. Sie finden im Zytosol statt, verlaufen über die gleichen energieerhaltenden Schritte und sind im Wesentlichen irreversibel.

Bilanz der Glykolyse
ATP-Gewinn Man unterteilt die Glykolyse in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird Glucose durch ATP-abhängige Phosphorylierung auf den Abbau vorbereitet und in zwei gleichartige interkonvertierbare C3-Fragmente gespalten (Abb. 5.14). Am Ende der ersten Stufe stehen zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat. In dieser Phase werden auch andere Hexosen (durch direkte Phosphorylierung) oder Glucose aus dem Speicherpolysaccharid Glykogen in die Glykolyse eingeschleust. Diese erste Stufe verbraucht zwei Moleküle ATP pro Molekül Hexose.
In der zweiten Phase, die unabhängig vom eingeschleusten Monosaccharid ist, laufen die Redoxschritte ab, die schließlich zur Phosphorylierung von ADP zu ATP führen (Abb. 5.14). Wir werden sehen, dass pro Hexose nach zweimaliger Oxidation jeden Moleküls Glycerinaldehyd-3-phosphat zwei Moleküle NAD+ reduziert werden und vier Moleküle ATP entstehen. Der Nettogewinn aus beiden Stufen der Glykolyse beträgt somit zwei Moleküle ATP.
Regeneration von NAD+Bei anaeroben Bedingungen wird Pyruvat unter gleichzeitiger Bildung von NAD+ reduziert. Dies geschieht in einem Schritt durch das Enzym Lactat-Dehydrogenase (Milchsäuregärung) mit Bildung von Lactat oder in zwei Schritten bei der mikrobiellen alkoholischen Gärung mit Bildung von Ethanol und CO2. Die Regeneration von NAD+ am Ende der anaeroben Glykolyse ist obligat, weil es ohne Sauerstoff nicht durch mitochondriale Oxidation von NADH zurückgewonnen werden kann. Andererseits darf die Reaktionssequenz nicht zum Stillstand kommen, und die Redoxbilanz muss ausgeglichen werden. In der Glykolyse erfolgt keine Nettooxidation der Glucose. Erst unter aeroben Bedingungen werden die zwei Moleküle Pyruvat, die aus jedem Molekül Hexose entstehen, im Citratzyklus unter hohem Energiegewinn oxidiert. Das zu Beginn der zweiten Stufe der Glykolyse anfallende NADH wird in diesem Fall in der Atmungskette zu NAD+ oxidiert und steht damit der Glykolyse wieder zur Verfügung.

MERKE

Die Glykolyse läuft in zwei Stufen ab. Ohne die Regeneration von NAD+ am Ende der anaeroben Glykolyse würde die Reaktionsfolge zum Stillstand kommen.

Priming
Die Reaktionsfolge der Glykolyse soll am Beispiel der Glucose geschildert werden, der Eintritt anderer Hexosen wird später beschrieben. Aus dem Blut aufgenommene freie Glucose wird durch das Enzym Hexokinase in einen Phosphorsäureester umgewandelt (Abb. 5.15). Diese Phosphorylierung unter Verbrauch von 1 Mol ATP pro Mol Glucose ist Voraussetzung für alle weiteren Schritte (Priming). Die Glucose-6-phosphat-Isomerase katalysiert die Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat. Bei der erneuten Phosphorylierung durch die Phosphofructokinase wird 1 weiteres Mol ATP verbraucht, und man erhält Fructose-1,6-bisphosphat. Dieser Schritt ist für die gesamte Reaktionssequenz geschwindigkeitsbestimmend. Er wird vielfältig reguliert, und die Phosphofructokinase kann als Schlüsselenzym der Glykolyse angesehen werden. Fructose-1,6-bisphosphat wird durch das Enzym Aldolase in die beiden phosphorylierten C3-Fragmente Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat gespalten. Da nur die letzte Verbindung weiterreagieren kann, wird das Dihydroxyacetonphosphat durch die Triosephosphat-Isomerase in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt (Abb. 5.15).

MERKE

In der ersten Stufe der Glykolyse wird Glucose unter Verbrauch von zwei ATP auf den Abbau vorbereitet und in zwei C3-Fragmente gespalten.

Substratkettenphosphorylierung
Bisphosphoglycerate Jedes der beiden Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat wird durch die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zur Stufe einer Carbonsäure oxidiert, gleichzeitig wird NAD+ zu NADH reduziert (Abb. 5.16). Da die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat mehr Energie liefert, als zur Bildung von NADH nötig ist, kann der Rest zum Einbau von anorganischem Phosphat (Pi) in das Molekül unter Bildung einer energiereichen Bindung verwendet werden: Es entsteht 1,3-Bisphosphoglycerat. Die beiden Phosphorylgruppen im 1,3-Bisphosphoglycerat sind nicht äquivalent, sondern stellen einen Phosphorsäureester an C(3) und ein gemischtes Phosphorsäureanhydrid mit einer Carbonsäure an C(1) dar (deshalb auch: 3-Phosphoglyceroylphosphat).
In den Erythrozyten der Säuger sowie einiger Vögel, Reptilien und Amphibien werden etwa 20% des 1,3-Bisphosphoglycerats unter Verlust der energiereichen Bindung durch eine Mutase in 2,3-Bisphosphoglycerat umgewandelt (Abb. 5.17). Diese Verbindung ist ein allosterischer Effektor des Hämoglobins, der dessen Affinität zu Sauerstoff reduziert. Das erleichtert die Abgabe des Sauerstoffs an die Gewebe.
ATP-Synthese Die Hydrolyse der gemischten Säureanhydridbindung (aus Carbonsäure und Phosphat) im 1,3-Bisphosphoglycerat ist stark exergon. Sie wird durch das Enzym Phosphoglycerat-Kinase katalysiert und an die Bildung von ATP gekoppelt. Da die ATP-Synthese in diesem Schritt Teil eines Stoffwechselwegs ist, einer sog. Substratkette, spricht man auch von Substratkettenphosphorylierung.
Als Produkt der Reaktion entsteht 3-Phosphoglycerat, das durch die Phosphoglycerat-Mutase zu 2-Phosphoglycerat isomerisiert wird. Abspaltung von Wasser durch das Enzym Enolase führt zu einem Phosphorsäureester der Enolform von Pyruvat, dem Phosphoenolpyruvat. Die Hydrolyse dieser Verbindung wird wieder an die Synthese von ATP gekoppelt; die Pyruvat-Kinase katalysiert diese zweite Substratkettenphosphorylierung der Glykolyse. Produkt der abschließenden Reduktion von Pyruvat durch die Lactat-Dehydrogenase bei der anaeroben Glykolyse kann je nach Spezies D- oder L-Lactat sein. Im Vertebratenmuskel wird ausschließlich L-Lactat gebildet (Abb. 5.16).

MERKE

Zu Beginn der zweiten Stufe der Glykolyse wird Glycerinaldehyd-3-phosphat durch NAD+ unter Einbau von Pi oxidiert. Bei der schrittweisen Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglycerat zu Pyruvat entstehen durch Substratkettenphosphorylierung zwei Moleküle ATP.

Wirkungsgrad
Auf das Kohlenstoffskelett bezogen, lautet die Gleichung der anaeroben Glykolyse:
Glucose 2 Lactat + 2 H+
wobei G0' –197 kJ mol–1.
Bezieht man die Bildung von ATP mit ein, so lautet die Gleichung:
Glucose + 2 ADP + 2 Pi 2 Lactat + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O
wobei G0' –136 kJmol–1.
Es ist zu beachten, dass bei der Formulierung der anaeroben Glykolyse mit Lactat als Endprodukt das Redoxpaar NAD+/NADH nicht in der Gleichung auftaucht. Der Unterschied von 61 kJ mol–1 wird zur Bildung von 2 ATP ausgenützt. Dividiert man das G0' der ATP-Bildung durch das der Lactatbildung, so erhält man eine Energieausbeute von 31%. Dieser Prozentsatz der frei werdenden freien Enthalpie wird also unter Standardbedingungen als biochemisch nutzbare Energie in ATP gespeichert, der Rest geht als Wärme verloren. Die Energieausbeute kann mit dem Wirkungsgrad von Maschinen verglichen werden. Unter zellulären Bedingungen, bei denen die Konzentrationen der Reaktanten von den Standardbedingungen abweichen, ist der Wirkungsgrad der Glykolyse sogar noch größer und erreicht in Erythrozyten 53%. Man beachte, dass der Wirkungsgrad der besten Dieselmotoren auch heute nicht über 40% hinausgeht.

MERKE

Die Nettoenergieausbeute der Glykolyse beträgt zwei Moleküle ATP pro Molekül Glucose, eine Nettooxidation findet nicht statt.

Einzelschritte der Glykolyse
Im Folgenden werden die Reaktionsschritte der Glykolyse nochmals einzeln aufgeführt. An ausgewählten Umsetzungen und Enzymen sollen dabei biochemische Mechanismen oder Prinzipien der Proteinchemie beschrieben und pathologisch relevante Tatsachen aufgeführt werden.
Hexokinase und Glucokinase
Hexokinase Dieses Enzym überträgt einen Phosphorylrest von ATP (eigentlich von einem ATP-Mg2+-Komplex) auf das C(6) einer Reihe von Hexosen und katalysiert damit die erste der beiden Priming-Reaktionen der Glykolyse (Abb. 5.15). Die Substratspezifität ist aus den Km-Werten für die verschiedenen Monosaccharide zu ersehen (Tab. 5.4). Neben der Glucose werden auch Mannose, Galaktose oder die Ketohexose Fructose phosphoryliert. Liegen mehrere Hexosen in einem Gemisch vor, so wird die Glucose bis um den Faktor 1000 bevorzugt gegenüber den anderen Substraten umgesetzt. Dies ist physiologisch sinnvoll, da die zu Glucose epimeren Aldohexosen zusätzliche Metabolisierungsschritte benötigen (unten) und damit langsamer verwertet würden.
Die Hexokinase der niederen Organismen, z.B. der Hefe, ist ein monomeres Enzym mit einer Molekülmasse von 50 kDa. Röntgenbeugungsuntersuchungen an Kristallen des Enzyms ergaben, dass im Protein zwei strukturell unterscheidbare Domänen durch einen Spalt getrennt sind, in den die Substrate eindiffundieren können. Nach Bindung von Glucose und ATP bewegen sich die Domänen aufeinander zu, der Spalt wird geschlossen. Dies verhindert ein Eindringen von Wasser in das katalytische Zentrum. ATP ist so vor Hydrolyse geschützt und kann seinen Phosphorylrest nur an Glucose abgeben (Abb. 5.18).

Schon gewusst

Die meisten Untersuchungen zur Biochemie und Struktur der Säuger-Hexokinase wurden an einem Enzym durchgeführt, das aus Hirngewebe der Ratte isoliert wurde und als Hexokinase I bezeichnet wird. Wie das Hefeenzym ist Hexokinase I ebenfalls monomer, besitzt allerdings eine Molekülmasse von 100 kDa. Biophysikalische Messungen ergaben, dass das Protein aus zwei gleich großen globulären Domänen aufgebaut ist, die jeweils eine Masse von ungefähr 50 kDa besitzen. In der Hexokinase aus Rattenhirn sind die Domänen in etwa 50% ihrer Sequenz identisch. Ein Vergleich jeder Domäne mit der Hexokinase aus Hefe ergibt 30% Sequenzidentität. Folglich ist zu vermuten, dass sich das Gen der Hexokinase I aus einem Urgen durch Duplikation und anschließende Fusion der zwei neuen Gene entwickelt hat.

Die beiden in der Tertiärstruktur deutlich voneinander getrennten Domänen sind auch funktionell unterscheidbar. Die N-terminale Domäne hat regulatorische Funktion: Bindung des Produkts Glucose-6-phosphat inhibiert die Hexokinase. Die Information dieser Bindung muss also durch konformationelle Änderungen an die C-terminale katalytische Domäne weitergeleitet werden, in der die Phosphorylierung der Glucose stattfindet. Interessanterweise ist aber auch die nach limitiertem proteolytischem Verdau isolierte C-terminale Domäne sensitiv gegenüber Glucose-6-phosphat, während das Hefeenzym nicht durch dieses Molekül gehemmt wird. Die allosterische Regulierbarkeit hat sich also in einem Urenzym der Säuger noch vor dem Duplikationsereignis herausgebildet. Anscheinend haben sich die beiden Proteindomänen erst nach der Genfusion weiter spezialisiert.

Porine Hexokinase I kommt im Zytosol der Zelle vor, bindet aber auch an spezielle Kanalproteine der äußeren Mitochondrienmembran, die sog. Porine (Abb. 5.19). Diese Assoziation ist eine ideale topologische Grundlage für die Kopplung der ATP-verbrauchenden Hexokinase an die ATP-generierenden Prozesse im Mitochondrium und ändert auch die kinetischen Konstanten des Enzyms in Richtung effektivere Glucosephosphorylierung: Der Km-Wert für Glucose sinkt um 60%, die Konzentration für halbmaximale Inhibition durch Glucose-6-phosphat steigt von 7 auf 35 mol L–1. Das Ausmaß der Bindung wird durch das ATP/ADP-Verhältnis reguliert, variiert also mit dem metabolischen Status der Zelle. Die Hexokinase dissoziiert bei Überschuss an ATP oder Glucose-6-phosphat von ihrem Porinbindungspartner ab. Wird also Glucose-6-phosphat bei hohem Energiebedarf in die Glykolyse eingeschleust, so bindet viel Hexokinase an die Mitochondrien, und mitochondriales ATP kann vom Enzym direkt genutzt werden. Dies könnte v.a. für Zellen mit einem hohen Umsatz in der Glykolyse von Vorteil sein. Tatsächlich sind in Tumorzellen bis zu 70% der Hexokinase an Mitochondrien gebunden. Für eine derartige Verteilung eines Enzyms zwischen zwei verschiedenen Zellorten wurde der Begriff Ambiquität vorgeschlagen.
Glucokinase Hexokinase I macht im Rattenhirn mehr als 98% der Hexokinaseaktivität aus. Die geringe Restaktivität muss durch Isoformen des Enzyms gegeben sein. Nach elektrophoretischer Auftrennung der Proteine eines Gewebes in einem nicht denaturierenden Gel kann man derartige Isoformen durch Aktivitätsanfärbung identifizieren. Auf diese Weise findet man vier Isoenzyme der Hexokinase. Drei von ihnen (I–III) wurden in einer eigenen Familie zusammengefasst, da sie alle eine Molekülmasse von 100 kDa besitzen und sich ihre kinetischen Eigenschaften nur wenig unterscheiden. Von ihnen hat man die Glucokinase in den Parenchymzellen der Leber mit einer Molekülmasse von 50 kDa und hohem Km-Wert für Glucose abgegrenzt. Messungen zur Substratspezifität dieses Enzyms ergaben eine sehr hohe Präferenz für Glucose, wie sie bei den anderen Isoformen nicht gefunden wurde. Außerem wird das Enzym erst bei sehr hohen Konzentrationen an Glucose-6-phosphat inhibiert. Durch diese Eigenschaften kann das Enzym ideal auf Änderungen des Blutzuckerspiegels reagieren: Glucose wird in der Leber mit einer Geschwindigkeit phosphoryliert, die zur Glucosekonzentration in der Pfortader proportional ist. Bei geringer Glucosekonzentration im Blut ist damit die Glucoseversorgung anderer Organe, v.a. des Gehirns, gesichert.

Schon gewusst

Es gibt stichhaltige Argumente dafür, Glucokinase nicht als eigenes Enzym mit einer EC-Nummer zu beschreiben. Vergleicht man beispielsweise die Sequenz der Glucokinase mit den Sequenzen beider Domänen der Säuger-Hexokinasen I–III, so wird bei 30% Sequenzidentität die phylogenetische Verwandtschaft aller vier Proteine deutlich. Auch ist die Bedeutung des hohen Km-Werts in Frage zu stellen, da das Enzym nicht der klassischen Michaelis-Menten-Kinetik folgt, sondern die Auftragung der Umsatzgeschwindigkeit als Funktion der Glucosekonzentration eine sigmoide Kurve ergibt, deren maximale Steigung nahe der physiologischen Konzentration der Blutglucose liegt. Bestimmt man die Substratspezifität jeweils in Gegenwart anderer Hexosen, so unterscheiden sich die vier Isoformen kaum. Von enzymologischen Betrachtungen her sollte also die Glucokinase tatsächlich als die vierte Isoform der Hexokinase (Hexokinase IV) angesehen werden, und es wurde vorgeschlagen, den Namen Glucokinase für glucosespezifische Enzyme aus Bakterien, Pilzen und Invertebraten zu reservieren. Diese Nomenklatur hat sich aber in der klinischen Biochemie noch nicht durchgesetzt.

Phosphofructokinase und die Kontrolle der Glykolyse
Phosphofructokinase Nach Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat durch die Glucose-6-phosphat-Isomerase wird in der zweiten Priming-Reaktion der Glykolyse ein Phosphorylrest auf die Position 1 von Fructose-6-phosphat übertragen (Abb. 5.15). Die Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt und wichtigster Kontrollpunkt der Glykolyse.
Die Phosphofructokinase wird vielfältig reguliert (Tab. 5.5). Das Enzym wird durch hohe Konzentrationen von ATP, Citrat oder langkettigen Fettsäuren inhibiert. Energieüberschuss in Form von ATP oder außerhalb der Glykolyse verwertbarer Substrate schaltet also die glykolytische Sequenz schon beim ersten Schritt ab, der nicht auch anderen Stoffwechselwegen dient. Protonen (aus der Dissoziation der Milchsäure als Endprodukt der anaeroben Glykolyse) hemmen das Enzym ebenfalls und verhindern so eine Laktatazidose. Umgekehrt wird Phosphofructokinase durch hohe ADP- und Pi-Konzentrationen aktiviert. Ein weiterer allosterischer Aktivator des Enzyms ist Fructose-2,6-bisphosphat.
Aldolasen und Triosephosphat-Isomerase
Aldolasen Fructose-1,6-bisphosphat wird in einem komplexen, aber frei reversiblen Reaktionsmechanismus durch das Enzym Aldolase in die beiden Triosephosphate Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat gespalten (Abb. 5.15). In tierischen Geweben kommen drei Aldolasen vor, die sich durch ihre Substrataffinität unterscheiden. Beim Menschen findet sich Aldolase A in den meisten Geweben, bevorzugt im Muskel. Aldolase B kommt nur in Leber und Niere vor und ist für den Fructosestoffwechsel von Bedeutung, da das Enzym auch Fructose-1-phosphat spalten kann. Aldolase C ist ein weitgehend gehirnspezifisches Isoenzym.
Triosephosphat-IsomeraseDas Enzym ist ein Homodimer mit einer Molekülmasse von 54 kDa und katalysiert die Einstellung des Gleichgewichts zwischen den beiden Triosephosphaten, Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat (Abb. 5.15). Letzteres liegt in der Gleichgewichtsmischung zu über 90% vor, da die Reaktion in Richtung Dihydroxyacetonphosphat mit –7,6 kJ mol–1 exergon ist. Da Glycerinaldehyd-3-phosphat durch die nächste Reaktion der Glykolyse ständig aus dem Gleichgewicht entfernt wird, isomerisiert schließlich das gesamte Dihydroxyacetonphosphat.

Schon gewusst

Die Triosephosphat-Isomerase wurde auch als perfektes Enzym bezeichnet, da im Lauf der Evolution offensichtlich die Tertiärstruktur dem katalytischen Mechanismus optimal angepasst wurde. Das Endiolintermediat der Reaktion ist aus den beiden Triosen durch einfache Protonierung/Deprotonierung, also Säure-Base-Reaktionen, zugänglich. Man hat aber abgeschätzt, dass das Enzym – verglichen mit einer einfachen organischen Base – die Reaktion um den Faktor 1010 beschleunigt. Die Reaktion ist nur noch diffusionskontrolliert, d.h., nicht die Isomerisierung am Enzym selbst, sondern die Diffusion der Triosen zum Enzym hin bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit.

MERKE

Die Phosphofructokinase katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Glykolyse und wird vielfältig reguliert.

GAPDH und Arsenatvergiftung
Gekoppelte Reaktionen Bei der durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) katalysierten Phosphorylierung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat ändert sich die Oxidationsstufe des Kohlenstoffatoms C(1) von der einer Aldehydgruppe zu der einer Carboxylgruppe (Abb. 5.16). Durch die gleichzeitige Phosphorylierung mit Pi unter Bildung eines gemischten Anhydrids (aus Carbonsäure und Phosphorsäure) bleibt allerdings die Oxidationsenergie im Molekül erhalten und kann zur ATP-Synthese im folgenden Schritt genutzt werden. Elektronenakzeptor während der Reaktion ist NAD+, das zu NADH reduziert wird.
GAPDH koppelt damit letztlich eine stark exergone Reaktion (Oxidation des Aldehyds durch NAD+) mit einer endergonen Reaktion ähnlich hohen Betrags (Einbau des Phosphats). Trotz positiver Bilanz der freien Standardenthalpie (6,3 kJ mol–1) ist aber wegen der stark exergonen ATP-Synthese des nächsten Schritts die Umsetzung schließlich vollständig. Da das Coenzym NAD+ nicht ständig am Enzym gebunden bleibt, kann man auch von einem Cosubstrat sprechen.
Mechanismus GAPDH aus Hefe oder Kaninchenmuskel ist ein Homotetramer mit einer Molekülmasse von 140 kDa. Sie wird durch Schwermetalle (Quecksilber in p-Chlormercuribenzoat) oder alkylierende Agenzien (Jodacetat) inaktiviert. Das beweist, dass mindestens eine Thiolgruppe im aktiven Zentrum für die Katalyse essenziell ist. In der Tat wird das Substrat zunächst als Thiohalbacetal und nach Elektronenübertragung als Thioester mit hohem Gruppenübertragungspotenzial gebunden (Abb. 5.20). An diesem Acylintermediat findet auch der Einbau des Phosphats statt. Durch die phosphorolytische Spaltung werden die SH-Gruppe regeneriert und der Energieinhalt in Form eines gemischten Phosphorsäureanhydrids konserviert.
Vergiftung GAPDH kann auch Arsenat anstelle von Phosphat nach Oxidation an C(1) einbauen. Die arsenylierte Verbindung hydrolysiert allerdings spontan zu 3-Phosphoglycerat und Arsenat, sodass als Bilanz zwar eine Oxidation stattgefunden hat, aber keine Phosphorylierung. Bei einer Arsenatvergiftung sind also Oxidation und Phosphorylierung der GAPDH-Reaktion voneinander entkoppelt, und es gibt keine Nettosynthese von ATP in der Glykolyse. Im Gegensatz dazu beruht die Vergiftung durch dreiwertige Arsenverbindungen auf der kovalenten Komplexierung benachbarter Sulfhydrylgruppen, wie sie in der Liponsäure vorkommen (Kap. 5.2.5). Folge ist eine Inhibition der Pyruvat-Dehydrogenase und damit des oxidativen Stoffwechsels der Glucose.

Schon gewusst

GAPDH ist eines der Zielproteine des Radikals Stickoxid (NO), das bei einer Infektion in großer Menge von immunkompetenten Zellen als Teil einer unspezifischen Abwehr gebildet wird. Die Bindung von NO an der Thiolgruppe des aktiven Zentrums inhibiert die enzymatische Aktivität und bringt damit die Glykolyse zum Erliegen. Diese Hemmung ist reversibel und könnte sogar eine Regulationsfunktion in der Glykolyse haben. Allerdings kann die S-Nitrosylierung auch eine Modifikation des Enzyms durch sein Cosubstrat NADH initiieren (ähnlich einer ADP-Ribosylierung), was eine irreversible Inhibition als pathophysiologisches Ereignis zur Folge hat.

MERKE

Die Glykolyse kommt zum Erliegen, wenn NADH nicht zu NAD+ regeneriert wird.

Produktion von ATP
Erstes ATP Die erste Substratkettenphosphorylierung der Glykolyse durch die Phosphoglycerat-Kinase – die ATP-Synthese aus ADP und 1,3-Bisphosphoglycerat – ist mit –18,8 kJ mol–1 stark exergon und zieht damit auch das Gleichgewicht der vorangehenden Reaktion vollständig auf die Seite der Produkte (Abb. 5.16). Im Kontext der Glykolyse ist die Bezeichnung Kinase irreführend, denn eigentlich ist das ein Enzym, das ein Substrat phosphoryliert. Allerdings ist die Reaktion der Phosphoglycerat-Kinase reversibel und wird bei entsprechenden Metabolitenkonzentrationen in der Gluconeogenese tatsächlich zur Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat genutzt.
Ähnlich wie bei der Hexokinase ergaben Kristallstrukturuntersuchungen auch bei der Phosphoglycerat-Kinase, dass sich zwei Domänen nach Bildung des ternären Komplexes aus Enzym und Substraten aufeinander zubewegen, sodass die Substrate schließlich in wasserfreier Umgebung miteinander reagieren. Das 3-Phosphoglycerat wird durch die Phosphoglycerat-Mutase in 2-Phosphoglycerat überführt.
Enolasereaktion Nach der GAPDH-Reaktion ist die Umwandlung von 2-Phosphoglycerat in Phosphoenolpyruvat durch die Enolase der zweite Schritt innerhalb der Glykolyse, aus dem eine energiereiche Verbindung hervorgeht (Abb. 5.16). Die Abspaltung von Wasser stellt zwar eine intramolekulare Redoxreaktion dar, die Energie innerhalb des Moleküls verteilt sich aber so dramatisch um, dass die freie Standardenthalpie der Hydrolyse der Phosphorylgruppe um mehr als das Dreifache ansteigt. Die Enolase wird durch Fluoridionen in Gegenwart von Pi inhibiert. Fluoridionen hemmen also die Glykolyse unter Akkumulation von 2-(und 3-)Phosphoglycerat.
Zweites ATP Auch die zweite Substratkettenphosphorylierung ist mit –31,4 kJ mol–1 stark exergon, die ADP-Phosphorylierung durch die Pyruvat-Kinase ist also tatsächlich irreversibel (Abb. 5.16). Die Pyruvat-Kinase der Säuger ist ein Homotetramer mit einer Molekülmasse von etwa 250 kDa. In Säugergeweben finden sich drei Isoenzyme mit den Bezeichnungen M (Muskel und Hirn), L (Leber) und A (Niere, Fettgewebe, Lunge). Das Enzym ist in Abwesenheit von Alkalimetallkationen inaktiv und wird physiologisch v.a. von K+-Ionen aktiviert. Die L-Isoform wird durch ATP allosterisch gehemmt, durch Fructose-1,6-bisphosphat aktiviert. Außerdem inaktiviert glucagonabhängige Phosphorylierung das Enzym. Im Hungerzustand wird also die glykolytische Aktivität der Leber zugunsten der Glucoseversorgung anderer Organe verringert (Tab. 5.6).
Weitere Substrate der Glykolyse
Fructose Auch andere Monosaccharide als Glucose können in der Glykolyse verwertet werden. Fructose wird durch Hexokinase an C(6) phosphoryliert (Abb. 5.21). Sie kommt frei im Bienenhonig vor, wird aus der Saccharose abgespalten oder im Polyolweg aus Glucose gebildet. In der Leber von Vertebraten gibt es allerdings ein eigenes Enzym, die Fructokinase, die die Phosphorylierung der Ketose an C(1) katalysiert. Fructose-1-phosphat wird anschließend durch Aldolase B (oben) zu Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten. Eine Triokinase phosphoryliert den Glycerinaldehyd zu Glycerinaldehyd-3-phosphat, sodass jetzt die beiden C3-Fragmente für die Weiterreaktion in der Glykolyse zur Verfügung stehen.

Klinik

Ein angeborener Mangel an Aldolase B liegt bei der vererbbaren Fructoseintoleranz vor. Die Anhäufung von Fructose-1-phosphat hemmt Glykolyse und Gluconeogenese. Wird Fructose nicht aus dem Nahrungsangebot entfernt, so sind schon im Kindesalter Leberzirrhose, geistige Retardierung und schließlich der Tod die Folgen.

Mannose D-Mannose (aus Glykoproteinen) ist ebenfalls Substrat der Hexokinase. Mannose-6-phosphat wird durch die Mannose-6-phosphat-Isomerase zu Fructose-6-phosphat isomerisiert.
Galaktose D-Galaktose (aus Milchzucker) wird durch die Galaktokinase an C(1) phosphoryliert (Abb. 5.21). Die anschließende Epimerisierung zu Glucose-1-phosphat erfolgt in einer Reaktionssequenz, deren Voraussetzung die Aktivierung des Monosaccharids durch Uridintriphosphat ist (Kap. 5.2.4). Glucose-1-phosphat wird schließlich durch die Phosphoglucomutase in Glucose-6-phosphat umgewandelt.
Auch Pentosen können nach Phosphorylierung und Umwandlung in Hexosen und Triosephosphate in die Glykolyse eingeschleust werden. Glycerin-Kinase und Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase ermöglichen den Eintritt von Glycerin und Glycerin-3-phosphat aus dem Lipidstoffwechsel.

MERKE

In die Glykolyse treten Hexosen, Pentosen und Produkte des Lipidstoffwechsels ein.

Anaerober Abbau von Kohlenhydraten
Der anaerobe Abbau von Kohlenhydraten (Gärung oder Fermentation) findet hauptsächlich bei Mikroorganismen statt. Allerdings gibt es auch bei höheren Lebewesen eine Reihe obligater oder fakultativer Ausnahmen. So beziehen die Erythrozyten ihre gesamte Energie allein aus anaerober Glykolyse, da sie keine Mitochondrien besitzen. Auch der Stoffwechsel in Retina und Knorpel ist hauptsächlich glykolytischer Natur, da sie schlecht durchblutet sind und somit mangelhaft mit Sauerstoff versorgt werden. Muss Energie kurzfristig bei gleichzeitigem Sauerstoffmangel zur Verfügung stehen, können Organe wie der Skelettmuskel rein glykolytisch aktiv sein. Thymozyten stellen nach Stimulation der Proliferation ihren Stoffwechsel fast vollständig auf anaerobe Glykolyse um. Das könnte damit zusammenhängen, dass diese für das Immunsystem wesentlichen Zellen während der kritischen Phase der DNA-Replikation die unvermeidliche Produktion von toxischen Sauerstoffradikalen in der Atmungskette minimieren wollen.
Lactatdehydrogenase
Funktion der LDH Im letzten Schritt der anaeroben Glykolyse wird Pyruvat durch die Lactat-Dehydrogenase (LDH) zu Lactat reduziert, im Vertebratenmuskel ausschließlich zu L-Lactat (Abb. 5.16). Das Enzym ist ein Homotetramer mit einer Molekülmasse von 160 kDa. Lactat als Endprodukt der anaeroben Glykolyse ist eigentlich ein Abfallprodukt, denn physiologisch wichtig ist das Schicksal des Coenzyms der Reaktion. Nur weil NADH zu NAD+ oxidiert wird und damit wieder als Cosubstrat der GAPDH-Reaktion zur Verfügung steht, kann die Glykolyse unter anaeroben Bedingungen aufrechterhalten werden. Die Elektronen zur Reduktion des Pyruvats stammen somit letztlich aus dem Glycerinaldehyd-3-phosphat. Mit G0' – 25 kJ mol–1 liegt das Gleichgewicht weit auf der Seite von Lactat.
Isoenzymmuster LDH ist ein instruktives Beispiel dafür, dass homooligomere Proteine eine Vielzahl von Isoformen bilden können, wenn die Untereinheit von verschiedenen Genen transkribiert werden kann. Im Fall der LDH kodieren zwei Gene für gleich lange Polypeptidketten, die sich nur in der Primärstruktur unterscheiden und sich zu tetramerer LDH zusammenlagern können. Eines der Gene wird stark im Herzmuskel transkribiert, das andere bevorzugt im Skelettmuskel. Entsprechend finden sich in diesen Geweben LDH-Isoformen, die mit H4 (Herz) und M4 (Muskel) bezeichnet werden. Allerdings ist das jeweils andere Gen nicht vollständig abgeschaltet, und je nach Zelltyp, Gewebe oder Entwicklungsstadium werden die Polypeptide unterschiedlich stark exprimiert. Aus der Kombination der zwei verschiedenen Polypeptidketten zu einem Tetramer resultieren drei Mischformen (Hybride), H3M, H2M2, und HM3. Das Isoenzymmuster wird nach einer nativen Gelelektrophorese durch Aktivitätsanfärbung sichtbar und kann diagnostisch genutzt werden (Abb. 5.22). Nach Zell- und Gewebeschädigung wird das Enzym mit den anderen Bestandteilen der zerstörten Zellen aus dem Cytoplasma freigesetzt und in extrazellulären Kompartimenten gefunden. So ist bei Lebererkrankungen die M4-Isoform im Blut angereichert, bei Erkrankungen des Herzmuskels die H4-Form.
Kinetik der Isoenzyme Obwohl alle Isoenzyme der LDH die gleiche Reaktion katalysieren, unterscheiden sie sich in der Kinetik der Umsetzung, die jedoch die physiologische Funktion des Enzyms in einem Gewebe widerspiegelt. Die M4-Isoform des Muskels reduziert Pyruvat mit hoher Maximalgeschwindigkeit zu Lactat, ist also gut für den anaeroben Glucosestoffwechsel im Skelettmuskel geeignet. LDH-H4 hat dagegen eine niedrige Umsatzgeschwindigkeit mit Pyruvat und wird durch hohe Pyruvatkonzentrationen gehemmt. Der Herzmuskel gewinnt seine Energie vorzugsweise aus dem oxidativen Stoffwechsel und kann in Notzeiten aufgrund der enzymatischen Eigenschaften der LDH-H4 sogar Lactat aus dem Blut zu Pyruvat oxidieren.

Schon gewusst

Im ZNS gibt es Anzeichen dafür, dass die M4-Isoform der LDH vorzugsweise in Astrozyten vorkommt, die H4-Isoform dagegen in Neuronen angereichert ist. In den Plasmamembranen beider Zelltypen wurden Transportproteine für Lactat nachgewiesen. Diese Beobachtungen decken sich mit der Vorstellung, dass Astrozyten aus Glucose (oder eher Glykogen) Lactat produzieren, das dann in den Neuronen nach Umwandlung in Pyruvat oxidativ unter hohem Energiegewinn abgebaut wird. Diese spezielle Verteilung von Aufgaben zwischen zwei verschiedenen Populationen neuraler Zellen wird auch als metabolic trafficking bezeichnet.

Alkoholische Gärung
Ein typischer Organismus, der Glucose zu Ethanol und CO2 abbaut, ist die Bierhefe, Saccharomyces cerevisiae. Bei dieser Fermentation werden alle Schritte der Glykolyse bis zum Pyruvat durchlaufen. Pyruvat wird allerdings nicht reduziert, sondern zu Acetaldehyd und CO2 umgesetzt. Diese nichtoxidative Decarboxylierung (Abb. 5.23) wird von dem thiaminpyrophosphatabhängigen Enzym Pyruvat-Decarboxylase katalysiert, das in höheren Organismen fehlt. Im letzten Schritt wird der Acetaldehyd zu Ethanol reduziert. Die Alkoholdehydrogenase benutzt NADH als reduzierendes Coenzym, stellt also damit auch NAD+ für die Aufrechterhaltung der Glykolyse zur Verfügung (Abb. 5.23). Aus der Bilanz der alkoholischen Gärung sieht man, dass der Energiegewinn in Form von ATP mit dem der Glykolyse identisch ist:
Glucose + 2 ADP + 2 Pi 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
G0' –167 kJ mol–1.
Es sei darauf verwiesen, dass es außer der Milchsäure- und der alkoholischen Gärung in Mikroorganismen eine Vielzahl von Fermentationen gibt, die zu Produkten wie Aceton oder Propion- und Buttersäure führen (suboxidierende Fermentationen). Diese Reaktionen werden in biotechnologischen Anlagen für die energiesparende Erzeugung wertvoller Ausgangstoffe der Chemieindustrie aus reichlich vorhandenen Kohlenhydratrohstoffen eingesetzt.
Oxidation von Ethanol Alkoholdehydrogenase wird auch in Tieren und im Menschen exprimiert, die ja aus verschiedenen Gründen einer Belastung mit Alkohol ausgesetzt sein können. Das Enzym katalysiert hier die Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd (Abb. 5.23), arbeitet also im Vergleich mit Mikroorganismen in umgekehrter Richtung und eliminiert so v.a. in der Leber bis zu 90% des aufgenommenen Ethanols. Der Rest wird durch mikrosomale Oxidasen oder die Katalase oxidiert.
Ein kleiner Teil des Alkohols wird schon im Magen durch eine eigene Alkoholdehydrogenase abgebaut. Die geringe Aktivität dieses Enzyms bei Frauen ist z.T. für den höheren Blutalkoholspiegel im Vergleich mit Männern bei gleicher aufgenommener Alkoholmenge verantwortlich. Dass Alkohol bei Frauen stärker wirkt als bei Männern, liegt aber auch daran, dass Frauen relativ mehr Fettgewebe haben, in dem sich Alkohol nur schwer löst. Als Folge steigt der Alkoholanteil im Blut.
Alkoholdehydrogenase Die Alkoholdehydrogenase der Leber ist ein weiteres Beispiel einer gut charakterisierten pyridinnucleotidabhängigen Dehydrogenase. Das homodimere Enzym wird durch Metallkomplexbildner inaktiviert. Ursache dafür sind Zn2+-Ionen, die am Reaktionsmechanismus des Enzyms wesentlich beteiligt sind. In jeder Untereinheit findet sich noch ein zweites Zn2+-Ion, dem eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der korrekten Tertiärstruktur zugeschrieben wird.
Verträglichkeit von Alkohol Der durch die Alkoholdehydrogenase produzierte Acetaldehyd ist zytotoxisch. Zusammen mit dem Abfall des Blutzuckerspiegels, der diuretischen Wirkung des Alkohols und den Stoffwechselabbauprodukten von Methanol und Fuselalkoholen ist er für das Phänomen des Katers nach übermäßigem Alkoholgenuss verantwortlich. In der Leber wird der Acetaldehyd durch eine NAD(P)+-abhängige Aldehyd-Dehydrogenase zu Acetat oxidiert (Abb. 5.23). Dieses wird durch die Acetat-CoA-Ligase (Thiokinase) unter Verbrauch von ATP in Acetyl-CoA umgewandelt und so in den Intermediärstoffwechsel eingeschleust. Bei übermäßigem Alkoholkonsum führt die Anhäufung des Metaboliten Acetat zu erhöhter Fettsäure- und Cholesterinsynthese. Adipositas (Bierbauch), Fettleber und schließlich Leberzirrhose sind die Folgen von chronischem Alkoholabusus.

Schon gewusst

Auch von der Aldehyd-Dehydrogenase wurden verschiedene Isoformen beschrieben. Ein genetisch bedingter Mangel einer mitochondrial assoziierten Isoform mit niedrigem Km-Wert für Ethanol ist dafür verantwortlich, dass ein Großteil der ostasiatischen Bevölkerung auf Alkohol wegen peripherer Vasodilatation mit sog. Flushing-Symptomen wie Hautausschlag oder mit Herzrasen reagiert. Diese Unverträglichkeit scheint aber auf der anderen Seite ein genetischer Schutzmechanismus gegen Alkoholsucht zu sein.

MERKE

Bei der alkoholischen Gärung wird Pyruvat decarboxyliert und unter Regeneration von NAD+ zu Ethanol reduziert. Die Alkoholdehydrogenase leitet auch den Alkoholabbau beim Menschen ein.

Kariogenese
Karies beginnt an der Zahnoberfläche im Bereich des Schmelzes und breitet sich in die Tiefe zum Dentin hin aus. Spätfolgen sind eine Infektion der Pulpa und schlimmstenfalls der Verlust des Zahns. Am Anfang dieses Prozesses steht die Ablagerung von Plaques aus bakteriellen Dextranen auf dem Zahn bei mangelnder Zahnpflege. In der Folge wird Nahrung auf dem Zahn festgehalten, Nahrungskohlenhydrate werden dort abgebaut und die Folgeprodukte ebenfalls unter den Plaques auf dem Zahnschmelz abgelagert. Diese Folgeprodukte sind im Wesentlichen organische Säuren, hauptsächlich Milchsäure (etwa 45%) aus der anaeroben Glykolyse von Streptococcus mutans, die in Lactat und ein Proton dissoziiert und damit das Milieu unter den Plaques ansäuert. Aus dem Stoffwechsel anderer Mikroorganismen resultieren Propionsäure (30%), Buttersäure (15%) und Essigsäure (10%), die eine starke organische Säure ist. Die Verschiebung zu saurem pH-Wert (oft unter 5,0) ist in den Plaques besonders stabil und wird kaum durch Speichel abgepuffert. Bei den sauren pH-Werten wird der Hydroxylapatit des Zahnschmelzes zu Calciumhydrogenphosphat aufgelöst:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 8 H+ 10 Ca2+ + 6 HPO42– + 2 H2O
Dabei destabilisiert die Freisetzung von Ca2+ den Schmelz so weit, dass die kristalline Struktur zerfällt, Schmelzdefekte und schließlich Löcher entstehen. An diesem Prozess der Tiefenentkalkung sind auch bakterielle Proteasen beteiligt, die die Schmelzproteine zwischen den Apatitkristallen und das Kollagen der Dentinmatrix abbauen. Eine Remineralisation aus Calcium- und Phosphationen des Speichels und Fluoridionen in Trinkwasser und Zahnpasten ist in diesem Stadium nicht mehr möglich. Es sei darauf hingewiesen, dass Fluoridionen eine zweifache Schutzwirkung besitzen: Zum einen können sie das Hydroxidion im Apatit ersetzen, wirken also nach dem Massenwirkungsgesetz der Entmineralisierung entgegen oder fördern den Wiederaufbau des Schmelzes. Zum anderen hemmen sie die Glykolyse (Enolase!) und vermindern die bakterielle Säureproduktion.

MERKE

Ursache von Karies ist die Entmineralisierung des Zahnschmelzes durch organische Säuren, die Endprodukte des Zuckerabbaus durch Mikroorganismen sind.

Der Pentosephosphatweg

Eine weitere Möglichkeit des Glucoseabbaus bietet der Pentosephosphatweg, der mit Glucose-6-phosphat beginnt und wie die Glykolyse im Zytosol abläuft (Abb. 5.24). Er ist in vielen Zellen neben der Glykolyse vorhanden, metabolisiert aber mit 1–20% nur einen geringen Anteil der gesamten aus dem Blut aufgenommenen Glucose.
Funktionen Hauptaufgabe des Pentosephosphatwegs ist nicht die Bereitstellung von Energie aus der Glucoseoxidation, sondern sie besteht in anderen biochemischen Funktionen. Das ist zum einen die Produktion von extramitochondrialen Reduktionsäquivalenten in Form von NADPH, besonders in Geweben mit aktiver Fettsäure- und Steroidsynthese, also in der Leber, der laktierenden Brustdrüse, im Kortex der Nebenniere und im Fettgewebe. NADPH wird aber auch benötigt, um oxidiertes Glutathion in seine reduzierte Form zurückzuführen. Dem Pentosephosphatweg kommt also eine besondere Rolle in der Redoxhomöostase der Zelle zu. Dies erklärt auch, dass seine Aktivität im Gehirn bei oxidativem Stress hochreguliert wird.
Die zweite Funktion des Pentosephosphatwegs ist die Umwandlung von Hexosen in Pentosen, insbesondere D-Ribose-5-phosphat als Vorstufe der Nucleotide. Schließlich werden auch Pentosen in Hexosen umgewandelt und somit dem Abbau in der Glykolyse zugeführt.
Bereitstellung von NADPH Die erste Reaktion des Pentosephosphatwegs ist die Oxidation des C(1) von Glucose-6-phosphat zu 6-Phosphogluconat durch die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase (Abb. 5.24). Das Enzym war die erste Dehydrogenase, in der NADP+ als Elektronenakzeptor entdeckt wurde. Reaktionsprodukt ist 6-Phosphoglucono--lacton, das durch eine Lactonase (Gluconolacton-Hydrolase) zur freien Säure hydrolysiert wird. Die stark exergone Hydrolyse treibt das Gleichgewicht weit auf die Seite der NADPH-Bildung. Auch in der nächsten Reaktion, der Oxidation von 6-Phosphogluconat durch die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase, ist NADP+ das Cosubstrat, sodass ein zweites Molekül NADPH entsteht (Abb. 5.24). Das weitere Produkt 3-Keto-6-phosphogluconat ist als -Ketosäure instabil und decarboxyliert spontan zu D-Ribulose-5-phosphat. Dieses wiederum wird durch das Enzym Ribulose-5-phosphat-Isomerase zu D-Ribose-5-phosphat umgewandelt (Abb. 5.25). Auf dieser Stufe lautet die Summengleichung des Pentosephosphatwegs:
Glucose-6-phosphat + 2 NADP+ + H2O Ribose-5-phosphat + CO2 + 2 NADPH + 2 H+
Endet der Pentosephosphatweg hier, so hat er im Wesentlichen biosynthetische Aufgaben erfüllt, nämlich die Bereitstellung von NADPH für reduzierende Synthesen im Zytosol und von D-Ribose-5-phosphat für die Nucleotidsynthese. Die Reaktionskette wird auch oxidativer Zweig des Pentosephosphatwegs genannt, da Glucose letztlich oxidativ decarboxyliert wurde (Abb. 5.24).
Flexibilität Wird in der Zelle mehr NADPH benötigt als Ribose-5-phosphat, dann muss das Kohlenstoffgerüst der Pentose wieder in Glucose-6-phosphat umgewandelt werden. Dies geschieht durch die Übertragung von C2- und C3-Fragmenten zwischen verschiedenen Monosacchariden im nichtoxidativen Zweig des Pentosephosphatwegs (Abb. 5.24). D-Ribulose-5-phosphat wird durch enzymkatalysierte Epimerisierung an C(3) zum D-Xylulose-5-phosphat umgewandelt. Aus dieser Verbindung überträgt die thiaminpyrophosphatabhängige Transketolase eine Glycolaldehydgruppe (C2-Einheit) auf D-Ribose-5-phosphat, sodass D-Sedoheptulose-5-phosphat und D-Glycerinaldehyd-3-phosphat entstehen (Abb. 5.25). Ganz allgemein katalysieren Transketolasen die Übertragung einer C2-Einheit, nämlich der Atome C(1) und C(2) einer Ketose, aufden Carbonylkohlenstoff einer Aldose. Als Intermediat ist nach Aufspaltung des Ketozuckers der C2-Rest als Glycolaldehyd am Thiaminpyrophosphat gebunden.
Sedoheptulose-5-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat sind schließlich Substrate der Transaldolase, die sie durch Übertragung eines Dihydroxyacetonfragments (C3-Einheit) in D-Erythrose-4-phosphat und D-Fructose-6-phosphat umwandelt (Abb. 5.25). Erstere Verbindung reagiert mit Xylulose-5-phosphat zu D-Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat (Abb. 5.24). Somit wurde aus einer Pentose eine Hexose, die jetzt in der Glykolyse weiter metabolisiert wird.
Im Pentosephosphatweg kann Glucose-6-phosphat durch Zusammenwirken der Redox- und der Transformationsschritte auch vollständig oxidiert werden:
Glucose-6-phosphat + 7 H2O + 12 NADP+ 6 CO2 + Pi + 12 NADPH + 12 H+
Der Pentosephosphatweg ist also ein flexibler Stoffwechselweg, der je nach Bedarf der Zelle an NADPH oder D-Ribose-5-phosphat in der einen oder anderen Richtung genutzt wird. Nur in Geweben mit sehr aktiver Fettsynthese, wie der laktierenden Milchdrüse, führt die vollständige Oxidation von Glucose-6-phosphat ausschließlich zu NADPH.

Klinik

Im Gegensatz zur Glykolyse kommt der Pentosephosphatweg unter anaeroben Bedingungen zum Erliegen, da er keine NADP+-regenerierende Reaktion enthält. NADPH wird nur in anderen Stoffwechselwegen wie der Fettsäuresynthese unter aeroben Bedingungen oxidiert. Eine Ausnahme bilden die Erythrozyten, in denen wegen fehlender Mitochondrien kein oxidativer Stoffwechsel abläuft. Dort ist der Pentosephosphatweg aber gerade von besonderer Bedeutung zur Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten für Entgiftungsreaktionen. Ein erblich bedingter Defekt der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase führt dazu, dass oxidiertes Glutathion nicht ausreichend durch die Glutathion-Reduktase reduziert wird und sich somit membrantoxische Substanzen anreichern können. Wird die Erythrozytenmembran zusätzlich geschädigt, so kann das zu einer schweren hämolytischen Krise führen, einer hämolytischen Anämie. Auslöser sind Infektionen oder Medikamente, z.B. die Malariamittel Pamaquin und Primaquin, aber auch Inhaltsstoffe der Saubohne (Vicia faba) beim Favismus. Der Gendefekt ist in endemischen Malariagebieten besonders häufig zu finden; offenbar bedeutet hier Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase-Mangel einen Selektionsvorteil, vielleicht weil der Malariaerreger in einem zu wenig reduzierenden Milieu nicht überleben kann.

MERKE

Glucose-6-phosphat kann im zytosolischen Pentosephosphatweg katabolisiert werden, einem je nach Bedarf der Zelle flexiblen Stoffwechselweg. Im Pentosephosphatweg werden Reduktionsäquivalente in Form von NADPH für reduzierende Biosynthesen und D-Ribose-5-phosphat für die Nucleotidsynthese bereitgestellt. Der Pentosephosphatweg ermöglicht auch die gegenseitige Umwandlung von Monosacchariden verschiedener Kettenlänge, die damit in die Glykolyse eingeschleust werden können. Auch die vollständige Oxidation von Glucose zu CO2 ist möglich. Bei einem genetisch bedingten Defekt der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase können Arzneimittel eine hämolytische Anämie auslösen.

Gluconeogenese und aktivierte Zucker

Gluconeogenese
Während die Glucosereserven im Blut (freie Glucose) und in der Leber (Glykogen) ausreichen, um den Bedarf des Körpers an diesem Kohlenhydrat für etwa einen Tag zu decken, muss bei längerem Hungern Glucose aus Nichtkohlenhydraten synthetisiert werden. Außerdem muss sichergestellt sein, dass das nach lang andauernder Muskelarbeit in der anaeroben Glykolyse gebildete Lactat vom Körper wiederverwertet wird. Diese Aufgaben werden durch die Gluconeogenese gelöst, die v.a. in der Leber, aber auch in der Nierenrinde stattfindet.
Reaktionen Eine Möglichkeit der Gluconeogenese ist die Umwandlung von Pyruvat zu Glucose-6-phosphat. Viele der beteiligten Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert, die auch am glykolytischen Abbau von Glucose-6-phosphat mitwirken (Abb. 5.26). Allerdings gibt es zwei irreversible Schritte der glykolytischen Sequenz, die in der Gluconeogenese durch alternative Reaktionen umgangen werden müssen. Dies gilt schon für den ersten Schritt, die Phosphorylierung von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat (Abb. 5.26). Durch eine Zusammenarbeit von zytosolischen und mitochondrialen Enzymen wird die Aufgabe gelöst.
Die Umwandlung beginnt in den Mitochondrien durch Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat mithilfe der ATP-abhängigen Pyruvat-Carboxylase, eines anaplerotischen Enzyms aus dem Citratzyklus (Kap. 5.2.5). Die mitochondriale Isoform der Malat-Dehydrogenase reduziert anschließend Oxalacetat zu Malat und benutzt dabei NADH als Cosubstrat. Damit wird ein indirekter Weg eingeleitet, um Oxalacetat aus dem Organell auszuschleusen, da es die innere Mitochondrienmembran nicht durchqueren kann. Malat wird mittels eines Dicarboxylattransporters im Austausch gegen eine andere Dicarbonsäure aus den Mitochondrien exportiert und durch die zytosolische Isoform der Malat-Dehydrogenase unter Verbrauch von NAD+ zu Oxalacetat reoxidiert. Die in dieser Richtung energetisch ungünstige Reaktion wird von der sofortigen Weiterreaktion des Oxalacetats angetrieben: Die GTP-abhängige Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase liefert Phosphoenolpyruvat. In der Bilanz wurden zwei energiereiche Phosphatbindungen genutzt, um ein Molekül Pyruvat zu phosphorylieren, also nur um eine neue kovalente Bindung in das Molekül einzuführen (Abb. 5.26).
Der zweite Schritt der Gluconeogenese, in dem eine Reaktion der Glykolyse umgangen wird, ist die Umwandlung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat (Abb. 5.26). Die Fructose-1,6-bisphosphatase katalysiert diese irreversible Hydrolyse, die Pi freisetzt. Das Enzym wird allosterisch reguliert, stimuliert wird es durch Citrat und 3-Phosphoglycerat, negativer Modulator ist AMP.
Auch andere Metaboliten können an verschiedenen Stellen in die Gluconeogenese eingeschleust werden, nämlich Lactat aus der anaeroben Glykolyse nach Oxidation zu Pyruvat, Glycerin aus der Hydrolyse der Triacylglycerine nach Umwandlung in Dihydroxyacetonphosphat und diejenigen Aminosäuren, die zu Pyruvat, Oxalacetat oder anderen Intermediaten des Citratzyklus abgebaut werden (glucogene Aminosäuren).

MERKE

Die Gluconeogenese ist der zentrale Weg der Biosynthese von Glucose aus Nichtkohlenhydratvorstufen, v.a. aus Pyruvat, Lactat und den glucogenen Aminosäuren. Der Stoffwechselweg verläuft über die reversiblen Reaktionen der Glykolyse, die irreversiblen Reaktionen werden mithilfe spezieller Enzyme umgangen. Im ersten Schritt der Gluconeogenese wird Pyruvat durch die Zusammenarbeit mitochondrialer und zytosolischer Enzyme zu Phosphoenolpyruvat umgesetzt. Die allosterisch regulierte Fructose-1,6-bisphosphatase katalysiert den zweiten für die Gluconeogenese spezifischen Schritt.

Bilanz Die Bilanzierung der Gluconeogenese als Umwandlung von Pyruvat in Glucose-6-phosphat verdeutlicht nochmals den Unterschied zur Glykolyse: 2 Pyruvat + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H2O Glucose-6-phosphat + 4 ADP + 2 GDP + 5 Pi + 2 NAD+ + 2 H+
Für jedes neue Molekül Glucose-6-phosphat werden sechs energiereiche Phosphatbindungen verbraucht, wobei zwei Moleküle NADH die notwendigen Reduktionsäquivalente zur Verfügung stellen.
Regulation Die Regulationsmechanismen von Glykolyse und Gluconeogenese sind so aufeinander abgestimmt, dass die Reaktionen nicht gleichzeitig ablaufen und zu einer verschwenderischen Nettohydrolyse von phosphatreichen Bindungen führen. Allerdings können sog. nutzlose Zyklen (engl. futile cycles) durchaus physiologische Funktionen haben, etwa die Erzeugung von Wärme. Beispiele sind die durch Phosphofructokinase und Fructose-1,6-bisphosphatase katalysierten Reaktionen.
Glucose-6-phosphatase In einigen tierischen Geweben wird Glucose-6-phosphat zu freier Glucose dephosphoryliert, v.a. in der Leber, der Niere und im Darmepithel. Auch diese formal einfache Hydrolyse ist nicht die Umkehr des glykolytischen Gegenparts, der Hexokinasereaktion. Sie wird vielmehr in einem subzellulären Kompartiment, dem endoplasmatischen Retikulum (ER), durch das System der Glucose-6-phosphatase in einer komplexen Reaktionsfolge von Transport- und enzymatischen Schritten katalysiert (Abb. 5.27). Zunächst wird Glucose-6-phosphat durch ein spezifisches Transportsystem auf die Innenseite der ER-Membran transloziert. Dort wird der Phosphorsäureester durch das Enzym Glucose-6-phosphatase hydrolysiert. Sowohl Pi als auch die freie Glucose werden aus dem ER ausgeschleust. Schließlich exportiert der Glucosetransporter der Plasmamembran (GLUT2) die Glucose aus der Zelle. Glucose aus der Gluconeogenese kann somit zum Blutzuckerspiegel beitragen.

Schon gewusst

Lange glaubte man, das Gehirn sei nicht zur Gluconeogenese befähigt. Inzwischen ist es aber gelungen, die für diesen Stoffwechselweg charakteristischen Enzyme, also Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und Fructose-1,6-bisphosphatase, nachzuweisen, zumindest in einzelnen neuralen Zellpopulationen, v.a. den Astrozyten. Andererseits wurden bisher nur Teile des Glucose-6-phosphatase-Systems eindeutig in Gliazellen identifiziert, sodass dort vielleicht nicht freie Glucose, sondern Glykogen Endpunkt der Gluconeogenese ist.

Aktivierte Zucker
Glycosyldonoren Die gegenseitige Umwandlung von Hexosen und die Übertragung eines Hexoserests auf ein anderes Monosaccharid oder auf die wachsende Kette eines Oligosaccharids gehen in den meisten Fällen von einem aktivierten Glycosyldonor aus, einem Nucleosiddiphosphat-Zucker. Beispiele hierfür sind Uridindiphosphatglucose (UDP-Glucose), UDP-Glucuronsäure und UDP-Galaktose (Abb. 5.28). UDP-Glucose entsteht durch Reaktion von Glucose-1-phosphat mit Uridintriphosphat unter Abspaltung der beiden terminalen Phosphorylreste des UTP als Pyrophosphat (PPi), dessen Hydrolyse die Reaktion weit auf die Seite der UDP-Glucose zieht:
Glucose-1-phosphat + UTP UDP-Glucose + PPi
Von dieser Verbindung können jetzt enzymkatalysierte Redoxreaktionen, Epimerisierungen und die Übertragung des Glucosylrests auf andere Zucker ausgehen (Synthese von Saccharose und weiteren Disacchariden in Pflanzen).
Die NAD+-abhängige Oxidation der UDP-Glucose führt zu UDP-Glucuronsäure. Die Konjugation der UDP-Glucuronsäure mit körperfremden Phenolen oder Aminen, die aus Arzneimitteln oder Drogen entstanden sind, überführt diese Verbindungen in der Leber in wasserlösliche Ausscheidungsformen.
Galaktose und Lactose Eine wesentliche Rolle im Galaktosestoffwechsel spielt die UDP-Galaktose. Sie ist Intermediat sowohl bei der anabolen Verwertung des Galaktosylrests (Abb. 5.29) als auch beim Abbau der Galaktose (Abb. 5.21). UDP-Galaktose-4-Epimerase katalysiert die reversible Umwandlung von UDP-Glucose in UDP-Galaktose. Der so aktivierte Galactosylrest wird jetzt unter Bildung des Disaccharids Lactose auf Glucose übertragen oder in die Oligosaccharidseitenketten von Glykoproteinen und Gangliosiden eingebaut.
Lactosesynthese findet v.a. in der laktierenden Milchdrüse statt. Die Lactose-Synthase besteht aus zwei Proteinen, der eigentlichen Transferase und dem regulatorisch wirksamen -Lactalbumin. Dieses Protein verschiebt die Substratspezifität der Transferase von Acetylglucosamin (Synthese der Oligosaccharidketten von Glykoproteinen) zu Glucose. Da die Biosynthese des -Lactalbumins durch Progesteron gehemmt wird, ermöglicht erst der Progesteronabfall unmittelbar vor der Geburt die Bildung der Lactose in der Milchdrüse. UDP-Galaktose ist auch ein Zwischenprodukt beim Abbau freier Galaktose, die aus dem Disaccharid Lactose nach dessen Spaltung entsteht und beim Säugling und Kleinkind von quantitativer Bedeutung ist (Abb. 5.21 und 5.29). Nach Phosphorylierung zu Galaktose-1-phosphat durch die Galaktokinase der Leber kann die UMP-Gruppe direkt von UTP übertragen werden. Anschließende Epimerisierung an C(4) durch die UDP-Galaktose-4-Epimerase bringt die Galaktose letztlich in den Glykogenstoffwechsel oder die Glykolyse ein. Die UMP-Gruppe kann aber auch von UDP-Glucose auf Galaktose-1-phosphat übertragen werden. Das Enzym UDP-Glucose:Galaktose-1-phosphat-Uridylyltransferase tauscht also Galaktose-1-phosphat und Glucose-1-phosphat am UMP aus.

Klinik

Ein Mangel an UDP-Glucose:Galaktose-1-phosphat-Uridylyltransferase liegt bei der hereditären Galaktosämie vor. Die Anhäufung von Galaktose-1-phosphat führt zu schweren Störungen des Glucosestoffwechsels, da es Enzyme der Glykolyse, des Pentosephosphatwegs und der Gluconeogenese inhibiert. Außerdem könnte die Akkumulation des Zuckeralkohols Galaktitol durch das Enzym Aldose-Reduktase toxische Folgen haben (Polyolweg). Die Betroffenen erkranken bereits in der ersten Lebenswoche an Erbrechen, Durchfall und Gelbsucht. Spätfolgen sind Leberzirrhose und geistige Retardierung. Als einzige Therapiemöglichkeit führen galaktosefreie Diät und der Verzicht auf Muttermilch zur normalen körperlichen und geistigen Entwicklung des Kindes. Durch die UDP-Galaktose-4-Epimerase werden offenbar genügend UDP-Galaktosereste für die gerade während dieser Zeit sehr aktive Biosynthese von Glykoproteinen und Gangliosiden zur Verfügung gestellt.

MERKE

Nucleosiddiphosphat-Zucker, v.a. UDP-Zucker, sind die aktivierten Formen von Monosacchariden wie Galaktose und Vorstufen vieler Disaccharide. Die hereditäre Galaktosämie führt zu Störungen des gesamten Glucosestoffwechsels.

Der Citratzyklus

Funktion, Bilanz und Lokalisation
Der Citratzyklus ist in aeroben Organismen und Geweben der zentrale Abbauweg für C2-Fragmente längerer Kohlenstoffgerüste, die in Form von Acetylresten aus dem Kohlenhydratstoffwechsel, aber auch aus dem Abbau von Fettsäuren und Aminosäuren stammen. Er ist die erste Stufe des oxidativen Stoffwechsels (Atmung) und wurde in allen aerob lebenden Zellen gefunden. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der Citratzyklus eine zyklische Sequenz von insgesamt acht Reaktionen (Abb. 5.30). Bei jedem Durchlauf des Zyklus wird ein Acetylrest (C2-Fragment) in Form von aktivierter Essigsäure, Acetyl-CoA, eingeschleust und mit der Dicarbonsäure Oxalessigsäure (C4-Verbindung) zu einer Tricarbonsäure mit sechs Kohlenstoffatomen verknüpft, der Citronensäure. Beim intrazellulären, neutralen pH-Wert liegen diese Säuren natürlich als ihre Anionen Oxalacetat und Citrat vor, und auch bei allen anderen Intermediaten des Zyklus sollte die anionische Carboxylatform genannt werden (Tab. 5.3).

Schon gewusst

Der Citratzyklus wurde zuerst 1937 von H. Krebs unter dem Namen Citronensäurezyklus postuliert. Der Name sollte die erste der Tricarbonsäuren hervorheben, die an der zyklischen Reaktionssequenz beteiligt sind. Oft finden sich aber auch die Namen Tricarbonsäurezyklus oder zu Ehren des Entdeckers Krebs-Zyklus. Der Citratzyklus war nicht die erste zyklische Reaktionssequenz, die in der Biochemie aufgeklärt wurde. Schon 1932 schlugen Krebs und Henseleit den Namen Harnstoffzyklus für einen neu entdeckten Reaktionszyklus vor. Krebs eigene Arbeiten konnten sich auf eine Reihe von früheren Beobachtungen von A. Szent-Györgyi in Ungarn sowie C. Martius und F. Knoop in Deutschland stützen, die die Oxidation verschiedener organischer Di- und Tricarbonsäuren zu CO2 durch molekularen Sauerstoff beschrieben hatten. An Suspensionen von zerkleinerten Flugmuskeln der Taube, einem sehr atmungsaktiven Gewebe, zeigte Krebs schließlich, dass die Oxidation endogener Kohlenhydrate oder von exogenem Pyruvat durch kleine Mengen der Carbonsäuren katalytisch stimuliert wird. Durch geschickten Einsatz von Inhibitoren der einzelnen Schritte und Nachweis der akkumulierenden Metaboliten gelang es Krebs, die Rolle der Citronensäure und die zyklische Natur der Reaktionssequenz zu etablieren.

Zyklische Reaktionsfolge
Das Citrat wird in einer ersten Stufe des Zyklus in einer Sequenz von vier Reaktionen zu Succinyl-CoA abgebaut, pro Acetylrest entstehen zwei Moleküle CO2. Das Oxalacetat wird anschließend in einer zweiten Stufe in vier Reaktionsschritten regeneriert. Somit verschwindet es nicht aus dem Zyklus und steht für einen erneuten Umsatz mit Acetyl-CoA zur Verfügung. Ein Molekül Oxalacetat trägt also zur Oxidation beliebig vieler Acetylreste bei und kann deshalb als eine Art Katalysator angesehen werden, der unverbraucht aus der Reaktionsfolge hervorgeht. Durch Markierung der beiden Kohlenstoffatome des Acetats konnte allerdings gezeigt werden, dass die Oxidation von Citrat nur am Kohlenstoffskelett von Oxalacetat stattfindet. Die in Form von zwei CO2 frei werdenden Kohlenstoffatome sind also nicht mit denen des Acetylrests identisch.
Die beim Abbau von Acetyl-CoA frei werdenden Reduktionsäquivalente werden als drei Hydridionen (über NADH) und ein Paar von H-Atomen (über FADH2) in gebundener Form an die anschließende Atmungskette weitergegeben. Die Erzeugung von NADH bzw. FADH2, die in der Atmungskette unter ATP-Produktion oxidiert werden, ist also die Hauptaufgabe des Citratzyklus. Pro Acetylrest entsteht aber direkt im Citratzyklus auch eine energiereiche Phosphatbindung in Form von GTP. Die Nettoreaktion des Zyklus lautet:
Acetat + H+ + 2 H2O 2 CO2 + 8 (H)
Es ist sinnvoll, die Energiebilanz des Zyklus erst in Zusammenhang mit der oxidativen Phosphorylierung anzugeben. Obwohl an den Reaktionen des Citratzyklus nicht direkt molekularer Sauerstoff beteiligt ist, laufen sie nur unter aeroben Bedingungen ab, da NAD+ und FAD ausschließlich in der Atmungskette regeneriert werden. Im Gegensatz zur Glykolyse ist der Citratzyklus also strikt aerob. Der Acetylrest kann aus verschiedenen Abbauwegen stammen. Im Kohlenhydratstoffwechsel ist der unmittelbare Vorläufer das aus der Glykolyse resultierende Pyruvat, das zusammen mit einem Proton (Symport) in die Mitochondrien transportiert und dort mithilfe des Enzymkomplexes der Pyruvat-Dehydrogenase zu Acetyl-CoA oxidiert wird.
Lokalisation
E. P. Kennedy und A. L. Lehninger (USA) entdeckten 1948, dass Mitochondrien, die sie aus Rattenleber isoliert hatten, die Oxidation von Pyruvat und aller Intermediate des Citratzyklus unter Verbrauch von molekularem Sauerstoff katalysierten, und zwar genauso schnell wie intakte Hepatozyten. Da andere Zellorganellen Pyruvat nicht oxidierten, waren die Mitochondrien als intrazelluläre Orte der Reaktionen des Citratzyklus in Tierzellen etabliert. Genauere Untersuchungen zeigten, dass die enzymatischen Umsetzungen teils in der mitochondrialen Matrix und teils an der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran ablaufen, also in enger Nachbarschaft der Enzyme der Elektronentransportkette und der oxidativen Phosphorylierung.
Auch in Pflanzenzellen ist der Citratzyklus in den Mitochondrien lokalisiert, in Bakterien dagegen sind die Enzyme frei im Zytosol oder an die Zellmembran gebunden. Zahlreiche Hinweise auf eine supramolekulare Assoziation einiger oder aller Enzyme wurden dahin gehend zusammengefasst, dass auch der Citratzyklus wie die Glykolyse in einem Metabolon organisiert sein könnte.

MERKE

Im Citratzyklus werden Acetylreste aus verschiedenen katabolen Wegen unter aeroben Bedingungen zu CO2 abgebaut. Die Reaktionen des Citratzyklus laufen in den Mitochondrien ab. Oxalacetat wird zu Beginn der zyklischen Reaktionsfolge mit dem Acetylrest zu Citrat verknüpft und steht nach acht Reaktionsschritten regeneriert für eine neue Umdrehung des Zyklus bereit.

Der Multienzymkomplex Pyruvat-Dehydrogenase
Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA wird durch den Pyruvat-Dehydrogenase-(PDH-)Komplex katalysiert, der in der mitochondrialen Matrix lokalisiert ist: Pyruvat + CoA + NAD+ Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+
G0' –33,5 kJ mol–1.
Drei verschiedene Enzyme und fünf Coenzyme sind an der Gesamtreaktion beteiligt, die in tierischen Geweben irreversibel abläuft. Im Gegensatz zur möglichen losen Assoziation glykolytischer Enzyme liegt hier ein echter Multienzymkomplex vor, der aus vielen Geweben intakt isoliert werden kann. Vorteile eines derartigen Komplexes sind hohe Umsatzgeschwindigkeit aufgrund der kurzen Wege, geringer Verlust an wertvollen Intermediaten und eine gemeinsame Regulation aller Reaktionen.
Reaktionen
Der Komplex wurde nach dem Enzym benannt, das die erste Teilreaktion katalysiert, die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase (E1, Pyruvat-Decarboxylase, Abb. 5.31). Nach Abspaltung von CO2 bleibt das C2-Fragment als -Hydroxyethyl-Derivat von dem Thiazolring des Cofaktors Thiaminpyrophosphat am Enzym gebunden. Der zweite Schritt ist die Oxidation des Hydroxyethylfragments zum Acetylrest. Dieser wird an das reaktive Schwefelatom der Liponsäure angehängt, die gleichzeitig zu ihrer Dithiolform reduziert wird, der Dihydroliponsäure. Liponsäure ist der kovalent gebundene Cofaktor des zweiten Enzyms im Komplex, der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2), in der die durch die Oxidation gewonnene Energie in Form eines Thioesters konserviert ist. Dieses Enzym katalysiert den dritten Schritt der Gesamtreaktion, die Übertragung des Acetylrests auf die Thiolgruppe von Coenzym A (Abb. 5.31). In einem letzten Schritt wird die Dithiolform der Liponsäure zu ihrer Disulfidform reoxidiert. Die Übertragung der Wasserstoffatome katalysiert das Enzym Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3). Dabei wird fest an das Enzym gebundenes FAD zu FADH2 reduziert, das anschließend in einem fünften und letzten Schritt durch NAD+ reoxidiert wird (Abb. 5.31).
Die Reaktion ist einzigartig in der Biochemie, da nur in der Dihydrolipoyl-Dehydrogenase das Redoxpotenzial von FAD/FADH2 negativer als das des NAD+/NADH-Paars ist. In einer schematischen Repräsentation des gesamten Enzymkomplexes wird die lange Kette der in E2 an einen Lysylrest gebundenen Liponsäure als schwingender Arm dargestellt, der Wechselwirkungen mit E1 und E3 eingehen kann (Abb. 5.31). Er übernimmt die Hydroxyethylgruppe von Thiaminpyrophosphat in E1 und überträgt sie auf Coenzym A. Der Arm schwingt dann an E3 vorbei und verliert die in E1 aufgenommenen Elektronen. Durch diese Reoxidation wird er in die Lage versetzt, erneut ein C2-Fragment zu akzeptieren.
Regulation
Eigentlich sollte eine 1:1:1-Stöchiometrie der beteiligten drei Enzyme dem geschilderten Reaktionsmechanismus Genüge tun. Isoliert man allerdings den PDH-Komplex aus Mitochondrien, so hat er eine Molekülmasse von mehreren Millionen Dalton, und die einzelnen Proteine liegen in vielfachen Kopien vor (Tab. 5.7). Darüber hinaus finden sich in der Säuger-PDH noch zwei weitere Enzyme als regulatorische Untereinheiten: Mit dem zentralen Komplex sind mehrere Kopien der PDH-Kinase (62 kDa) und der PDH-Phosphatase (100 kDa) assoziiert. Dies macht die Regulation des PDH-Komplexes durch ATP und Ca2+-Ionen verständlich. Die PDH-Kinase katalysiert die ATP-abhängige Phosphorylierung von E1 an mehreren Serylresten. Dadurch wird das Enzym inhibiert, und die gesamte Reaktion kommt zum Erliegen. Reaktiviert wird der Komplex über eine Abspaltung des Phosphorylrests durch die PDH-Phosphatase, die durch Ca2+-Ionen aktiviert wird. Da die PDH-Kinase selbst durch ATP aktiviert wird, wird der Eintritt von Pyruvat in den Citratzyklus verlangsamt, wenn genügend ATP als energiereiches Folgeprodukt des Zyklus zur Verfügung steht. Die aktive Form der PDH wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt und durch Pyruvat zu höherer Umsatzgeschwindigkeit stimuliert.

MERKE

Der Multienzymkomplex der Pyruvat-Dehydrogenase decarboxyliert das Pyruvat aus der Glykolyse zu Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eingeschleust wird. Seine Aktivität wird durch Produkthemmung, Feedback-Hemmung und reversible Phosphorylierung inhibiert.

Ablauf des Citratzyklus und anaplerotische Reaktionen
Einzelreaktionen
Kontrollpunkt Citrat-Synthase Wie bei der Vorstellung der Glykolyse sollen auch für den Citratzyklus einzelne Reaktionen genauer betrachtet und Besonderheiten hervorgehoben werden. Das erste Intermediat des Citratzyklus wird durch Kondensation von Acetyl-CoA mit Oxalacetat gebildet (Abb. 5.32). Die Reaktion ist wegen der anschließenden Hydrolyse des enzymgebundenen energiereichen Citroyl-CoA-Thioesters stark exergon und praktisch irreversibel. Das Gleichgewicht liegt weit aufseiten des Citrats und der Freisetzung von Coenzym A. Das Enzym Citrat-Synthase ist ein Homodimer mit einer Molekülmasse von 98 kDa. Biophysikalische Untersuchungen zeigen, dass jedes Monomer bei Bindung von Oxalacetat in eine Konformation übergeht, die kompakter ist als die des nichtligandierten Proteins und letztlich die hydrolytische Spaltung von Acetyl-CoA verhindert.
Die Reaktion der Citrat-Synthase ist für den gesamten Zyklus geschwindigkeitsbestimmend und wird durch die Verfügbarkeit von Acetyl-CoA und Oxalacetat reguliert. Das Enzym selbst wird durch ein späteres Intermediat des Zyklus, das Succinyl-CoA, ebenso gehemmt wie durch ATP, dessen Bindung den Km-Wert für Acetyl-CoA erhöht (Abb. 5.33). Bei konstanter Acetyl-CoA-Konzentration sinkt dadurch die Sättigung des Enzyms mit einem seiner Substrate, und die Umsatzgeschwindigkeit nimmt ab. Wir werden sehen, dass die Reaktion der Citrat-Synthase nur der erste von mehreren Kontrollpunkten des Citratzyklus ist.

MERKE

Die Reaktion der Citrat-Synthase ist einer von mehreren Kontrollpunkten, an denen hohe ATP- oder NADH-Konzentrationen die Umsatzgeschwindigkeit des Citratzyklus drosseln.

Aconitase Die reversible Umwandlung von Citrat in Isocitrat ist formal eine Verschiebung der Hydroxylgruppe innerhalb des Kohlenstoffgerüsts von einem tertiären zu einem sekundären Alkohol, der leichter zu oxidieren ist. Die Reaktion verläuft über ein enzymgebundenes Intermediat, das cis-Aconitat (Abb. 5.32). Das Enzym Aconitase entfernt Wasser aus dem Citrat unter Bildung einer CC-Doppelbindung. Erneute Anlagerung von Wasser kann zum Citrat oder zum Isocitrat führen. In jedem Fall ist die Addition stereospezifisch trans in Bezug auf die Ebene, die durch die CC-Bindung festgelegt ist. Die Aconitase ist ein monomeres Enzym. Sie enthält Fe(II) in Form von [4Fe-4S]-Eisen-Schwefel-Clustern, die wesentlich zur Bindung des Citrats am Enzym in einer Art Chelatkomplex beitragen. Das in Blättern exotischer Pflanzen vorkommende Fluoracetat ist sehr giftig, weil es in Fluorcitrat umgewandelt wird, das die Aconitase hemmt.

Scon gewusst

Eine Isoform der Aconitase kommt im Zytosol vor und erfüllt eine völlig andere Funktion. Sie verliert bei Eisenmangel ihre Fe-S-Komplexe und bindet dann an bestimmte Sequenzen von RNA-Molekülen, die für die Translation von Proteinen der zellulären Eisenhomöostase wie z.B. des Ferritins oder des Transferrinrezeptors verantwortlich sind. Diese Aconitase wird deshalb auch eisenregulatorisches Protein genannt (IRP von iron regulatory protein).

Isocitrat-Dehydrogenase Die oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu -Ketoglutarat wird durch eine pyridinnucleotidabhängige Dehydrogenase katalysiert, die Isocitrat-Dehydrogenase (Abb. 5.32). Durch den Verlust der -Carboxylgruppe des Isocitrats als CO2 ist die Reaktion stark exergon und damit irreversibel. Verschiedene Isoformen des Enzyms verwenden entweder NAD+ (nur in Mitochondrien) oder NADP+ (in Mitochondrien und im Zytosol) als Elektronenakzeptor. Im Citratzyklus ist wohl hauptsächlich die NAD+-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase aktiv. Dieses Enzym besteht aus acht identischen Untereinheiten mit einer Molekülmasse von je 47 kDa. Auch wenn das Enzym nicht geschwindigkeitsbestimmend für den Zyklus ist, wird es in komplexer Weise durch den Energiestatus der Zelle reguliert (Abb. 5.33). Hohe ADP-Konzentrationen stimulieren die Enzymaktivität, negative Modulatoren sind ATP und NADH. Das Enzym wird auch aktiviert, wenn die Konzentration der Ca2+-Ionen in der mitochondrialen Matrix erhöht ist, z.B. im Muskel bei verstärkter Aktivität, also bei ATP-Bedarf. Die Reaktion der Isocitrat-Dehydrogenase ist somit ein zweiter Kontrollpunkt innerhalb des Citratzyklus.
Die NADP+-abhängige Isoform hat eine andere Aufgabe und stellt möglicherweise in den Mitochondrien und im Zytosol Reduktionsäquivalente für die Fettsäuresynthese und die Regeneration von oxidiertem Glutathion oder für die Produktion von Stickoxid aus Arginin zur Verfügung.
-Ketoglutarat-Dehydrogenase Die Oxidation von -Ketoglutarat zu Succinyl-CoA ist der Oxidation von Pyruvat (ebenfalls eine -Ketosäure) zu Acetyl-CoA analog und wird durch einen ähnlichen hochmolekularen Multienzymkomplex katalysiert, den -Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (Abb. 5.32). Auch hier wirken Thiaminpyrophosphat, Liponsäure, FAD und NAD+ als Coenzyme mit. Es findet allerdings keine regulierende reversible kovalente Modifikation (Interkonversion) durch Phosphorylierung statt. Resultat der Reaktion ist Succinyl-CoA, ein energiereicher Thioester von einer der beiden Carboxylgruppen an der Bernsteinsäure. Mit einer freien Standardenthalpie von –29 kJ mol–1 ist die Reaktion praktisch irreversibel. Succinyl-CoA ist kompetitiver Inhibitor des CoA am Enzym. So wird die vollständige Umwandlung des zellulären CoA-Vorrats zu Succinyl-CoA verhindert, da die Geschwindigkeit der Reaktion abnimmt, wenn sich Succinyl-CoA ansammelt (Abb. 5.33).
GTP-Synthese In der nächsten Reaktion wird die Energie der Thioesterbindung nicht durch Hydrolyse verschwendet, sondern durch Synthese von GTP aus GDP und Pi für andere energieverbrauchende Reaktionen in einer energiereichen Bindung konserviert (Abb. 5.32). Die Succinyl-Thiokinase katalysiert somit eine Substratkettenphosphorylierung, wie sie analog mit ADP schon aus der Glykolyse bekannt ist. Da bei Umkehr der Reaktion Succinyl-CoA unter Spaltung von GTP synthetisiert werden kann, heißt das Enzym auch Succinyl-CoA-Synthetase. Man beachte, dass sich beide Enzymnamen auf die Rückreaktion beziehen.
Regeneration von Oxalacetat Succinat wird durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert (Abb. 5.32). Das Enzym ist integraler Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran. Es enthält Eisen-Schwefel-Cluster und kovalent gebundenes FAD. Die Änderung der freien Standardenthalpie bei der Einführung der Doppelbindung reicht aus, um FAD zu FADH2 zu reduzieren, während NAD+ nicht reduziert werden könnte (vgl. aber Dihydrolipoyl-Dehydrogenase im PDH-Komplex). Die Reduktionsäquivalente werden direkt auf das Ubichinon der Atmungskette übertragen. Die Reaktion ist ein weiterer wichtiger Kontrollpunkt im Citratzyklus, denn Pi und Succinat stimulieren die Aktivität (Abb. 5.33).
Die reversible, stereospezifische Hydratisierung von Fumarat zu L-Malat wird durch das Enzym Fumarase katalysiert. In der letzten Reaktion des Citratzyklus wird L-Malat zu Oxalacetat oxidiert. Malat-Dehydrogenase ist stereospezifisch für L-Malat (Abb. 5.32). Die Reaktion ist mit 30 kJ mol–1 stark endergon, läuft unter physiologischen Bedingungen aber trotzdem ab, da Oxalacetat und NADH ständig aus dem Gleichgewicht entfernt werden.

MERKE

Bei einmaligem Durchlaufen des Citratzyklus wird eine dem Acetylrest äquivalente C2-Einheit aus dem Citrat vollständig zu CO2 oxidiert, und durch Substratkettenphosphorylierung entsteht ein GTP. Vier Elektronenpaare werden an NAD+ und FAD abgegeben, die in ihren reduzierten Formen die Energie schließlich auf die Atmungskette übertragen. Somit läuft der Citratzyklus nur unter aeroben Bedingungen ab.

Anaplerotische Reaktionen
Die Hauptaufgabe des Citratzyklus ist der Abbau des Kohlenstoffgerüsts von Acetat und die damit verknüpfte Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten für Atmungskette und oxidative Phosphorylierung. Der Zyklus ist also im Wesentlichen kataboler Natur. Einige Intermediate des Zyklus können aber auch als Vorläufer für anabole Stoffwechselwege dienen, der Zyklus ist also letztlich amphibol (Abb. 5.34). Beispielsweise werden -Ketoglutarat und Oxalacetat zu den Aminosäuren Glutamat und Aspartat transaminiert. Citrat wird nach Export aus den Mitochondrien (Antiport mit Malat) durch die ATP-abhängige Citrat-Lyase zu zytosolischem Acetyl-CoA umgesetzt und somit für die Fettsäuresynthese nutzbar. Succinyl-CoA spielt eine Rolle in der Biosynthese des Porphyringerüsts, das im Häm enthalten ist. Oxalacetat und Malat können in der Gluconeogenese genutzt werden.
Für den Ablauf muss gewährleistet sein, dass die Mitochondrien nicht an Intermediaten des Citratzyklus verarmen und dieser zum Erliegen kommt. In diesem Fall würde die Zelle an Energiemangel zugrunde gehen. Verhindert wird das durch sog. anaplerotische (auffüllende) Reaktionen, die Verbindungen des Citratzyklus bereitstellen. Dazu können die erwähnten Transaminierungsreaktionen in umgekehrter Richtung genutzt werden. Zusätzlich liefern Fettsäuren und teilweise auch Aminosäuren Succinyl-CoA. Eine weitere anaplerotische Reaktion ist die reduktive Carboxylierung von Pyruvat zu Malat durch das Malatenzym, das in einer zytosolischen und einer mitochondrialen Isoform vorkommt (Abb. 5.35).
Die wichtigste anaplerotische Reaktion ist die nichtreduktive, ATP-abhängige Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat durch die mitochondriale Pyruvat-Carboxylase (Abb. 5.35). Dieses Enzym, ein Homotetramer mit einer Molekülmasse von 520 kDa, enthält in jeder Untereinheit den Cofaktor Biotin als intermediären Träger der Carboxylgruppe. Es handelt sich um ein allosterisches Enzym, das erst durch Acetyl-CoA zu nennenswerter Umsatzgeschwindigkeit stimuliert wird.

Schon gewusst

Ein Beispiel für eine zelluläre Trennung (Kompartimentierung) anaplerotischer Reaktionen findet sich im Gehirn. Offensichtlich exprimieren nur die Gliazellen Pyruvat-Carboxylase, v.a. Astrozyten, nicht jedoch die Neurone. Aber gerade glutamaterge Neurone laufen Gefahr, bei hoher Aktivität ihren oxidativen Stoffwechsel zu kompromittieren, wenn sie ihren Bedarf am Transmitter Glutamat auch durch Transaminierung von -Ketoglutarat aus dem Citratzyklus decken. Da der Nachschub an Oxalacetat zur Auffüllung des Citratzyklus in Neuronen nur aus benachbarten Astrozyten kommen kann, wäre die neuronale Signalübertragung ohne Beteiligung von Gliazellen unmöglich.

MERKE

Intermediate des Citratzyklus werden als Vorstufen in Biosynthesen genutzt, wobei anaplerotische Reaktionen den Zyklus auffüllen. Die wichtigste anaplerotische Reaktion ist die Synthese von Oxalacetat aus Pyruvat und CO2 durch die Pyruvat-Carboxylase.

Glykogenstoffwechsel

Synthese von Glykogen
Die Synthese des tierischen Speicherpolysaccharids Glykogen geht von Glucose-6-phosphat aus, das mithilfe der Phosphoglucomutase zu Glucose-1-phosphat umgewandelt wird. Die Bildung von UDP-Glucose aus Glucose-1-phosphat wurde schon besprochen (Kap. 5.2.4). Aus dieser aktivierten Glucose wird der Glucosylrest auf die terminale Glucose am nichtreduzierenden Ende einer Amylosekette unter Ausbildung einer -1,4-glykosidischen Bindung übertragen (Abb. 5.36). Die Reaktion wird durch die Glykogen-Synthase katalysiert. Dieses Enzym benötigt also schon ein vorgefertigtes Glucoseoligomer als Akzeptor für den neuen Glucosylrest. Vier miteinander verknüpfte Glucosemoleküle scheinen die minimale Länge für diesen Primer auszumachen. Die Aktivität des Enzyms nimmt mit zunehmender Kettenlänge des Primers zu.
Glykogen-Synthase aus Säugerleber ist ein Homodimer mit einer Molekülmasse von etwa 160 kDa und liegt in der Zelle in enger Assoziation mit den Glykogengranula vor. Das Enzym kann die Glucose allerdings nicht in -1,6-glykosidischer Bindung an den Verzweigungsstellen des Glykogens einbauen. Dafür gibt es ein eigenes Enzym, die Amylo-1,41,6-Transglucosylase, die auch als -1,6-Glucan-Verzweigungsenzym oder Branching-Enzym bezeichnet wird. Es nimmt bei einer Kettenlänge von mehr als elf Resten mindestens sechs davon ab und fügt sie im Innern derselben oder einer benachbarten Kette unter Ausbildung einer -1,6-glykosidischen Bindung wieder an.
Glykogenin Einmal gebildet, wird das Glykogen der Leber nie vollständig abgebaut, es werden nur die Äste des verzweigten Polymers je nach Glucoseangebot verlängert oder verkürzt. Wie aber erfolgt die De-novo-Synthese von Glykogen? 1985 entdeckte W. Whelan im Glykogen des Skelettmuskels ein kovalent gebundenes Protein mit einer Molekülmasse von 38 kDa, das er Glykogenin nannte (Abb. 5.36). Ein erstes Glucosemolekül wird in einer glykosidischen Bindung mit einem Tyrosylrest des Glykogenins verknüpft. Schrittweise Addition von bis zu sieben Glucosylresten erweitert die Glucankette. Die Reaktionen werden durch das Glykogenin selbst katalysiert, das also eine autokatalytisch wirkende Glucosyltransferase ist. Die Glucanvorstufe wird anschließend durch die Glykogen-Synthase und das Verzweigungsenzym verlängert. Die Menge an Glykogenin bestimmt also die Menge an Glykogen in einer Zelle. Somit ist die Regulation der Glykogeninexpression von zentraler Bedeutung für die Fähigkeit einer Zelle, Glucose in Form von Glykogen zu speichern.

MERKE

Die Glykogensynthese geht von Glucose-6-phosphat aus, das über Glucose-1-phosphat in UDP-Glucose umgewandelt wird. Die Denovo-Synthese von Glykogen beginnt an einem speziellen Protein, dem Glykogenin. Glykogensynthase und Branching-Enzym erzeugen die verzweigte Kette des Glykogens.

Abbau von Glykogen
Damit die in osmotisch inaktiver Form gespeicherten Glucosylreste im Glykogen dem Abbau in der Glykolyse zugeführt werden können, werden drei Enzyme benötigt. Die Glykogen-Phosphorylase spaltet im polymeren Glucan eine -1,4-glykosidische Bindung am nichtreduzierenden Ende unter Einbau von Pi am C(1) der frei werdenden Glucose (Abb. 5.37). Diese phosphorolytische Spaltung bewahrt die in der glykosidischen Bindung steckende Energie im Glucose-1-phosphat, die Reaktion läuft deshalb mit einer nur geringen Änderung der freien Standardenthalpie ab:
Glucosen + Pi Glucosen–1 + Glucose-1-phosphat
G0' 3,05 kJ mol–1.
Bei intrazellulären Bedingungen mit hoher Pi-Konzentration liegt das Gleichgewicht aber weit auf der Seite der Phosphorolyseprodukte.
Das Produkt der Phosphorylasereaktion, Glucose-1-phosphat, wird durch das Enzym Phosphoglucomutase in Glucose-6-phosphat umgewandelt (Abb. 5.37). Dieses steht dann für die Glykolyse (im Muskel), den Pentosephosphatweg oder die Spaltung in freie Glucose durch das System der Glucose-6-phosphatase (in Leber, Niere) zur Verfügung.
Die starke Verzweigung des Glykogens stellt auch beim Abbau des Moleküls ein Problem dar, da die Glykogen-Phosphorylase nur an den nichtreduzierenden Enden der Glykogenketten aktiv ist. Eine Transglykosidase überträgt jeweils vier Glucosylreste vor dem Verzweigungspunkt die drei terminalen Reste auf einen anderen Zweig. Eine -1,6-Glucosidase hydrolysiert die am Verzweigungspunkt vorliegende -1,6-glykosidische Bindung. Da es sich aber um keine Phosphorolyse handelt, wird die Energie, die ja auch in den verzweigenden Bindungen steckt, nicht weiter genutzt. Es entsteht freie Glucose, die der Hexokinasereaktion zugeführt werden kann. Beide Enzymaktivitäten sind in einem einzigen Protein lokalisiert, das auch als Debranching-Enzym bezeichnet wird.

MERKE

Beim Glykogenabbau katalysiert die Glykogen-Phosphorylase die Phosphorolyse der glykosidischen Bindung eines terminalen Glucosylrests. Dabei entsteht Glucose-1-phosphat, das von einer Mutase zu Glucose-6-phosphat umgewandelt wird. Den vollständigen Abbau an den Verzweigungspunkten ermöglicht das Debranching-Enzym.

Regulation des Glykogenstoffwechsels
Interkonversion
Auf einer ersten Ebene der Regulation des Glykogenstoffwechsels findet eine reversible kovalente Modifikation (Interkonversion) der Schlüsselenzyme Glykogen-Phosphorylase und Glykogen-Synthase statt (Abb. 5.38).
Die Glykogen-Phosphorylase kommt in mehreren Isoformen vor. Die Grundeinheit des Enzyms ist ein Homodimer, dessen Polypeptidketten (je 97 kDa) von drei verschiedenen Genen kodiert werden, sodass sich in Muskeln (MM), Leber (LL) und Hirn (BB) spezifische Isoformen finden. Diese Dimere sind inaktiv. Erst wenn in jeder Polypeptidkette ein Serylrest (Ser 14) durch die katalytische Wirkung der Phosphorylase-Kinase phosphoryliert wird, lagern sich zumindest in vitro zwei phosphorylierte Dimere zur aktiven tetrameren Phosphorylase zusammen (Phosphorylase a). Wird der Phosphorylrest durch das Enzym Phosphoprotein-Phosphatase abgespalten, dissoziiert der tetramere Proteinkomplex in zwei Dimere, die inaktiv sind (Phosphorylase b).
Die Phosphorylase-Kinase aus Muskelgewebe ist ein Hexadekamer aus vier verschiedenen Untereinheiten. Eine davon ist Calmodulin, welches das Enzym calciumsensitiv macht und seine Aktivität an die Muskelkontraktion koppelt. Das Enzym unterliegt selbst der Kontrolle durch reversible kovalente Modifikation und ist erst nach Phosphorylierung durch die cAMP-abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiv. Dephosphorylierung durch eine Phosphoprotein-Phosphatase inaktiviert die Phosphorylase-Kinase.
Phosphorylierung und Dephosphorylierung finden auch an multiplen Serylresten in der Glykogen-Synthase statt, allerdings mit dem physiologisch sinnvollen umgekehrten Ergebnis: Phosphorylierte Glykogen-Synthase ist inaktiv, dephosphoryliertes Enzym ist aktiv (Abb. 5.38). Die modifizierenden Enzyme sind wahrscheinlich dieselben, die auch die Aktivität der Phosphorylase-Kinase regulieren. Die phosphorylierte Glykogen-Synthase wird allosterisch durch Glucose-6-phosphat aktiviert. Eine bei niedrigen cAMP-Konzentrationen aktive Phosphoprotein-Phosphatase inaktiviert die Phosphorylase durch Hydrolyse des Phosphorylrests an Ser 14.
Hormonkontrolle
Letztendlich wird der Glykogenstoffwechsel hormonell kontrolliert (Abb. 5.38). Die Protein-Kinase A wird allosterisch durch cAMP aktiviert, das aus der Reaktion der Adenylatcyclase stammt. Wie die Adenylatcyclase nach Wechselwirkung bestimmter Hormone wie Adrenalin (im Muskel) oder Glucagon (in der Leber) mit ihrem spezifischen membranständigen Rezeptor durch die Vermittlung von G-Proteinen reguliert wird, ist an anderer Stelle ausführlich beschrieben (Kap. 24).
Die Hormone werden bei Hunger oder Stress freigesetzt, in Situationen also, in denen der Organismus vermehrt Glucose braucht und deshalb auch auf seine Reserven zurückgreifen will. Dabei kommt der raschen Mobilisierung von Glucose aus Glykogen die starke Verzweigung zugute, da der phosphorolytische Abbau an vielen Enden gleichzeitig beginnt. Postprandial wird die Glykogensynthese in der Leber durch Glucose und das Hormon Insulin stimuliert.

MERKE

Glykogensynthese und -abbau werden durch allosterische Effektoren reguliert, v.a. aber durch die reversible kovalente Modifikation (Phosphorylierung) der Enzyme, die wiederum unter hormoneller Kontrolle steht.

Energiereserve und Osmoregulation
Ungefähr ein Drittel des gespeicherten Glykogens findet man in der Leber, den Rest zum größten Teil in den Skelettmuskeln. Auch die Astrogliazellen des Gehirns enthalten Glykogen und Glykogen-Phosphorylase. Das Glykogen der Leber dient hauptsächlich der Aufrechterhaltung der Blutzuckerkonzentration. Der Glykogengehalt dort ist in der postresorptiven Phase hoch (150 g) und fällt bei längerem Fasten durch Abgabe freier Glucose in das Blut nahezu auf null ab. Das Glykogen des Skelettmuskels dient nur als gewebeeigene Energiereserve. Da dem Muskel die Glucose-6-phosphatase fehlt, kann keine freie Glucose in das Blut abgegeben werden.

Schon gewusst

Auch einige Aminosäuren wie Glutamin stimulieren die Glykogensynthese in Hepatozyten über eine Aktivierung der Glykogen-Synthase. Dies ist aber nicht die Folge spezieller biochemischer Mechanismen. Vielmehr hat sich herausgestellt, dass die Aufnahme der Aminosäuren durch den folgenden Einstrom von Wasser zu einer Volumenzunahme der Hepatozyten führt. Dadurch werden als eine Art Gegenregulation die Glykogensynthese und damit die Abnahme intrazellulärer osmotisch aktiver Moleküle angeregt.

Klinik

Es gibt mehrere vererbbare Störungen des Glykogenstoffwechsels aufgrund verschiedener Enzymdefekte (Praxisfall). Bei diesen Glykogenosen (Glykogenspeicherkrankheiten) akkumulieren große Mengen Glykogen v.a. in der Leber oder im Muskel. Wie man in Tab. 5.8 sieht, müssen die ursächlichen Defekte einer unphysiologischen Glykogenablagerung nicht unbedingt in den Enzymen liegen, die an Glykogensynthese und -abbau unmittelbar beteiligt sind.

Integration, Regulation und Organverteilung des Kohlenhydratstoffwechsels

Integration des Kohlenhydratstoffwechsels
Der Katabolismus der Kohlenhydrate lässt sich in drei Stufen einteilen (Abb. 5.39). In dem Verdauung genannten Prozess werden die langkettigen Verbindungen (Oligo- und Polysaccharide) in die einzelnen Bausteine (Monosaccharide, in der Regel Hexosen) aufgetrennt. Die Glykogenolyse kann man dabei durchaus als intrazelluläre Verdauung ansehen. Die Hexosen werden in der anschließenden Glykolyse in ein Bruchstück (Pyruvat) umgewandelt, das oxidativ abgebaut werden kann. Nach dem Citratzyklus ist dann das Kohlenstoffskelett vollständig abgebaut, und aus einem Molekül Hexose sind sechs Moleküle CO2 entstanden. Neben der Energiegewinnung durch Substratkettenphosphorylierung und der Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten für die oxidative Phosphorylierung wurden dabei Verbindungen erzeugt, die in vielfältigen Reaktionen eingesetzt werden können. Da dieselben Moleküle auch aus anderen Stoffwechselwegen hervorgehen, sind sie als Schlüsselverbindungen im Intermediärstoffwechsel anzusehen. Im Einzelnen sind hier Glucose-6-phosphat, Pyruvat und Acetyl-CoA zu betrachten.
Schlüsselmoleküle
Glucose-6-phosphat Wie wir gesehen haben, werden über Glucose-6-phosphat mehrere Hexosen in die Glykolyse eingeschleust. Die Verbindung nimmt auch eine zentrale Stellung im Glykogenstoffwechsel ein und ist Endpunkt der Gluconeogenese, sofern keine freie Glucose durch das System der Glucose-6-phosphatase in das Blut abgegeben wird. Mit Glucose-6-phosphat beginnt auch der Pentosephosphatweg, der Reduktionsäquivalente und Pentosen bereitstellt, aber auch Glucose oxidativ abbauen kann (Abb. 5.40a).
Pyruvat Pyruvat ist Endpunkt der aeroben Glykolyse und damit gleichzeitig als Substrat der Pyruvat-Dehydrogenase das Edukt für den oxidativen Stoffwechsel der Kohlenhydrate. Es wird zu Alanin transaminiert, was die Verbindung zum Aminosäurestoffwechsel und zum Schicksal des Stickstoffs im Metabolismus knüpft. In der anaeroben Glykolyse wird Pyruvat zu Lactat reduziert. Schließlich ist Pyruvat auch ein möglicher Startpunkt der Gluconeogenese (Abb. 5.40b).
Acetyl-CoA Über Acetyl-CoA werden die Abbauprodukte von Kohlenhydrat- und Fettsäurestoffwechsel, z.T. auch des Aminosäurekatabolismus und damit des Proteinabbaus, in den Citratzyklus eingeschleust. Andererseits ist Acetyl-CoA das C2-Fragment, das für die Biosynthese verschiedenster Lipide genutzt wird (Abb. 5.40c).

MERKE

Die Kohlenhydratkataboliten Glucose-6-phosphat, Pyruvat und Acetyl-CoA nehmen zentrale Stellungen im Intermediärstoffwechsel ein. Der Citratzyklus ist mit seiner amphibolen Natur eine Drehscheibe des Metabolismus.

Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels
Der physiologische Zustand eines Organs oder einer Zelle, d.h. Energiemangel oder -überfluss, entscheidet darüber, ob ein anaboler oder kataboler Stoffwechselweg eingeschlagen wird, sofern die notwendige Enzymausstattung vorhanden ist. Die Stoffwechselwege können zwar umkehrbar sein, die irreversiblen Schritte verlangen aber voneinander unabhängige Enzymaktivitäten. Im Kohlenhydratstoffwechsel wurde das anhand von Glykolyse und Gluconeogenese deutlich, und auch der Glykogenstoffwechsel ist ein Beispiel für dieses Prinzip. Die thermodynamische Notwendigkeit unterschiedlicher Enzyme für die Hin- und die Rückreaktion bietet den Vorteil, dass Abbau und Synthese unabhängig voneinander reguliert werden können. Die Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels wurde schon bei den einzelnen Stufen der Glykolyse, der Gluconeogenese, des Citratzyklus und des Glykogenstoffwechsels beschrieben. An dieser Stelle soll noch einmal ein Überblick anhand der verschiedenen Regulationsmechanismen gegeben werden.
Regulationsmechanismen
Substratinduktion Die Induktion eines Stoffwechselwegs durch sein Substrat auf der Ebene der Transkription spielt bei Mikroorganismen eine große Rolle, ist aber bei Säugern von untergeordneter Bedeutung. Nur in der Leber und im Darm findet man Beispiele von Substratinduktion, hauptsächlich allerdings von Transportproteinen.
Hormonelle Induktion Eine weitere Art der Kontrolle auf Transkriptionsebene ist die durch Hormone induzierte Neusynthese von Enzymen. Insulin und Glucocorticoide oder Adrenalin sind dabei oft Gegenspieler: Während Insulin allein die Glucokinase und in Gegenwart von Glucose weitere Schlüsselenzyme der Glykolyse (Phosphofructokinase, Pyruvat-Kinase) in der Leber induziert, wird deren Expression durch Adrenalin über cAMP reprimiert. Andererseits aktivieren Glucocorticoide und teilweise Adrenalin die Transkription der für die Gluconeogenese charakteristischen Enzyme, wobei Insulin als Repressor wirkt. Hunger oder Stress führt also zum Abschalten der Glykolyse, für die in dieser Situation kein Substrat zur Verfügung steht, und die Neusynthese von Glucose wird gefördert. Induktion auf Transkriptionsebene durch Hormone (oder Substrate) ist eine langsame Anpassung an eine veränderte Stoffwechsellage.
Hormonabhängige Phosphorylierung Im Gegensatz zur Transkriptionskontrolle können Hormone über die reversible kovalente Modifikation von Enzymen durch Phosphorylierung oder Dephosphorylierung den Stoffwechsel schnell beeinflussen. Das cAMP- und damit hormonabhängige Kaskadensystem im Glykogenstoffwechsel (Abb. 5.38) zeigt, wie dieselbe biochemische Modifikation, die Einführung eines Phosphorylrests, je nach Protein inhibitorisch oder aktivierend wirken kann und Abbau und Synthese sinnvoll in Richtung der Glucosemobilisierung koordiniert. Ein weiteres Beispiel ist die glucagonabhängige Phosphorylierung der Pyruvat-Kinase. Glucagon stimuliert damit die rasche Inaktivierung eines Enzyms, das durch seinen Antagonisten Insulin induziert worden ist.
Allosterische Regulation und kompetitive Inhibition Neben der reversiblen, kovalenten Proteinmodifikation bietet die nichtkovalente Wechselwirkung von Schlüsselenzymen eines Stoffwechselwegs mit den verschiedensten Molekülen die Möglichkeit einer raschen Antwort auf eine geänderte Stoffwechselsituation. Am Beispiel des Citrats soll zusammengefasst werden, wie eine einzige Verbindung auf verschiedene Stufen des Kohlenhydratstoffwechsels regulierend einwirkt (Abb. 5.41). Wenn genügend Energie in Form von ATP zur Verfügung steht, ist es für die Zelle sinnvoll, den weiteren Kohlenhydratabbau einzustellen. Hohe ATP-Konzentrationen inhibieren die Isocitrat-Dehydrogenase allosterisch, und es kommt zur Akkumulation von Citrat. Citrat ist ein kompetitiver Inhibitor für Oxalacetat an der Citrat-Synthase, unterbindet also bei Überschuss seine eigene Synthese und verlangsamt als Folge den Citratzyklus. Mithilfe eines spezifischen Transportproteins kann Citrat die innere Mitochondrienmembran durchqueren und hemmt nach einem allosterischen Mechanismus die zytosolische Phosphofructokinase und damit die Glykolyse zu einem frühen Zeitpunkt. Gleichzeitig aktiviert es die Fructose-1,6-bisphosphatase und damit die Gluconeogenese. Der Überschuss an ATP kann so für biosynthetische Arbeit genutzt werden (Abb. 5.41).
Neben der ATP-Konzentration ist auch das NADH/NAD+-Verhältnis auf verschiedenen Ebenen ein wichtiges Regulationssignal. Ist das Verhältnis hoch – ist also die Atmungskette zum Erliegen gekommen –, dann werden sowohl die Synthese von Acetyl-CoA durch Inhibition der PDH als auch der Umsatz im Citratzyklus durch Hemmung der Citrat-Synthase, der Isocitrat-Dehydrogenase und der -Ketoglutarat-Dehydrogenase herabgesetzt.
Fructose-2,6-bisphosphat Eine besondere Art der allosterischen Kontrolle wird im Kohlenhydratstoffwechsel durch Fructose-2,6-bisphosphat (Abb. 5.42) ausgeübt, das keine weitere Funktion als Substrat im Metabolismus hat, sondern nur der Regulation dient. Das Molekül wird durch die Phosphofructokinase 2 aus Fructose-6-phosphat gebildet. Die Hydrolyse erfolgt durch eine Phosphataseaktivität derselben Polypeptidkette (Tandemenzym). In der Leber ist die Verbindung ein Aktivator der Phosphofructokinase und ein Inhibitor der Fructose-1,6-bisphosphatase. Sie stimuliert also die Glykolyse und drosselt die Gluconeogenese. Die cAMP-abhängige Phosphorylierung des Tandemenzyms infolge eines niedrigen Blutglucosespiegels inaktiviert die Phosphofructokinase-2-Aktivität und aktiviert die Phosphatase, ein Absinken der Konzentration an Fructose-2,6-bisphosphat hemmt dann sinnvollerweise die Glykolyse und fördert die Gluconeogenese (Abb. 5.42).
Kompartimentierung Die Abstimmung der vielfältigen Reaktionen des Kohlenhydratstoffwechsels aufeinander wird durch eine Hierarchie in der Kompartimentierung erleichtert, d.h. durch räumliche Trennung einzelner Schritte oder Reaktionssequenzen. Der Cori-Zyklus als Aufteilung von Glykolyse und Gluconeogenese auf Muskel und Leber stellt eine Kompartimentierung auf Organebene dar und wird weiter unten beschrieben. Intrazelluläre Kompartimentierung findet sich in den Multienzymkomplexen der Pyruvat- und -Ketoglutarat-Dehydrogenase, in der teilweisen Assoziation der Hexokinase mit der äußeren Mitochondrienmembran und der Aufteilung von Glykolyse und Citratzyklus auf Zytosol und Mitochondrien.

MERKE

Bei Glykolyse, Gluconeogenese, Glykogenstoffwechsel und im Citratzyklus bestimmen die ATP-Konzentration und das NADH/NAD+-Verhältnis in vielfältigen Rückkopplungsmechanismen, ob die katabole oder anabole Richtung verfolgt wird. Der Kohlenhydratstoffwechsel wird von Insulin, dessen Antagonisten Glucagon, den Catecholaminen und den Glucocorticoiden hormonell kontrolliert. Das passiert durch die Induktion von Schlüsselenzymen in der Leber und durch ein Kaskadensystem von reversiblen, kovalenten Enzymmodifikationen infolge von Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung. Die Konzentration von Fructose-2,6-bisphosphat, einem Aktivator der Glykolyse und Inhibitor der Gluconeogenese, wird durch cAMP-abhängige Phosphorylierung des Tandemenzyms reguliert.

Organverteilung des Kohlenhydratstoffwechsels
Obwohl die Organe von Wirbeltieren für bestimmte Aufgaben spezialisiert sind, können die verschiedenen Wege des Kohlenhydratkatabolismus doch in allen ablaufen. Die Nutzung von Glykolyse, Citratzyklus und Pentosephosphatweg ist aber von Organ zu Organ unterschiedlich ausgeprägt. Gluconeogenese und Glykogenstoffwechsel sind in größerem Maße zwischen einzelnen Organen kompartimentiert.
Leber
Etwa zwei Drittel der Glucose, die das Blut anliefert, werden von den Hepatozyten aufgenommen und zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert. Bei normaler Ernährung wird der größte Teil davon in Form von Glykogen gespeichert (bis zu 15% des Nassgewichts), über Acetyl-CoA zur Fettsäuresynthese genutzt oder als freie Glucose wieder an das Blut abgegeben. Da die Fettsäuresynthese viele Reduktionsäquivalente benötigt, wird Glucose auch in den Pentosephosphatweg eingeschleust, in dessen Verlauf NADPH entsteht. Nur wenig Glucose wird vollständig abgebaut. Zur Erzeugung von ATP werden in der Leber bevorzugt Fettsäuren und Aminosäuren oxidiert. Etwas vereinfacht wird die Leber oft als Glucostat bezeichnet, d.h., bei Glucoseüberschuss (postprandiale Resorptionsphase) entnimmt sie dem Blut die Glucose und baut sie in die Speicherform Glykogen ein, bei Hunger und Fasten dagegen (Postresorptionsphase) stellt sie durch Abbau von Glykogen und die Gluconeogenese Glucose für andere Organe bereit.
Der bidirektionale Fluss von Glucose in Hepatozyten wird durch den Glucosetransporter GLUT2 vermittelt. Da der Transporter insulininsensitiv ist und einen hohen Km-Wert für Glucose hat, sind die Glucosekonzentrationen im Blut und in den Hepatozyten identisch, sodass die Leber ein idealer Sensor für den Blutglucosespiegel ist.

Schon gewusst

Die Umwandlung von Glucose in Glucose-6-phosphat durch die Glucokinase der Leber wird durch ein regulatorisches Protein kontrolliert, das die Glucokinase in Gegenwart von Fructose-6-phosphat hemmt. Die subzelluläre Lokalisation beider Proteine wird durch die Glucosekonzentration festgelegt: In glucoseverarmten Hepatozyten sind Glucokinase und ihr inhibierendes Protein im Zellkern lokalisiert. Bei Erhöhung der Glucosekonzentration wird die Wechselwirkung der beiden Proteine geringer, und die Glucokinase kann in das Zytosol wandern. Allerdings besitzen offenbar nur die perivenösen Hepatozyten Glucokinase, dort werden nach einer Mahlzeit die Glykogenspeicher zuerst aufgefüllt. In den periportalen Hepatozyten dagegen wird Glykogen über einen gluconeogenetischen Umweg aus Lactat synthetisiert, das vom systemischen Blut angeliefert wird (Cori-Zyklus).

Fettgewebe
Das Fettgewebe nutzt Glucose und Fettsäuren als Brennstoffe. Glucose wird allerdings nicht vollständig oxidiert, das Kohlenstoffskelett soll z.T. in Form eines C3-Fragments für den Glycerinanteil der Triacylglycerine, z.T. als C2-Fragment in Form von Acetyl-CoA erhalten bleiben. Wegen der für die Fettsäuresynthese benötigten Reduktionsäquivalente ist der Pentosephosphatweg im Fettgewebe besonders aktiv.
Skelett- und Herzmuskel
Der ruhende oder nur wenig bewegte Skelettmuskel gewinnt den größten Teil seiner Energie aus dem Abbau von Fettsäuren und nur 10–15% aus der Oxidation von Kohlenhydraten. Bei lang andauernder Belastung oder bei kurzfristiger Höchstleistung werden die Glykogenvorräte (1–2% des Nassgewichts) angegriffen, und daraus freigesetzte Glucose wird zu Lactat umgewandelt. Diese anaerobe Glykolyse erbringt zwar wenig ATP, ist aber etwa 100-mal schneller als der oxidative Stoffwechsel. Sie läuft v.a. in den schnell zuckenden Fasern (Typ II) der weißen Skelettmuskeln ab, deren Farbe auf dem Fehlen des sauerstoffspeichernden Proteins Myoglobin und der cytochromhaltigen Mitochondrien beruht. Das Lactat wird über das Blut zur Leber transportiert und dort in Glucose umgewandelt, die wieder zum Muskel transportiert werden kann (Cori-Zyklus). Wird Lactat wegen eines Überangebots nicht schnell genug abtransportiert, kommt es zur Übersäuerung. Der pH-Wert kann so weit abfallen, dass keine weitere Kontraktion möglich ist. Ermüdung und Muskelkater, der allerdings auf gerissenen kleinsten Muskelfasern beruht, sind die Folge.
Auch das Herz nutzt einen Teil des Lactats (über das H4-Isoenzym) aus dem Skelettmuskelstoffwechsel, ansonsten aber Fettsäuren und zu einem geringen Teil Blutglucose. Im Zytoplasma des Herzmuskels werden bis zu 40% des Volumens von Mitochondrien eingenommen, der oxidative Stoffwechsel ist also vorherrschend.
Gehirn
Obwohl das adulte Gehirn nur 2–3% der Körpermasse des Menschen ausmacht, verbraucht es bis zu einem Viertel der innerhalb von 24 h aufgenommenen oder endogen produzierten Glucose, das meiste davon für den Energiestoffwechsel. Wegen geringer Energiereserven reagiert das Gehirn sehr rasch mit Funktionsstörungen auf ein Unterbleiben der Glucosezufuhr. Bewusstlosigkeit tritt bei einer Blutkonzentration < 20 mg/100 mL ein (Vorsicht bei Insulingabe!). Glucose ist also die Hauptenergiequelle für das erwachsene Gehirn. Nur in der Säuglingszeit und bei längerem Fasten werden auch Ketonkörper aus der Peripherie aufgenommen und oxidiert. Dabei ist die Blut-Hirn-Schranke ein Hindernis für die Verwertung anderer peripherer Energiesubstrate. Innerhalb des Parenchyms könnte es aber sehr wohl komplexe, interzellulär kompartimentierte Stoffwechselwege geben, die alternative Energiesubstrate zur Verarbeitung in speziellen Zellpopulationen liefern.

Schon gewusst

Glykogen ist der wichtigste Energiespeicher im Gehirn. Es könnte eine Schutzfunktion bei Ischämie und Hypoglykämie haben oder als schnell mobilisierbare Reserve bei hoher neuronaler Aktivität dienen. Da die Glykogenspeicher hauptsächlich in Astrozyten vorliegen und die Glykogen-Phosphorylase fast ausschließlich in diesem Zelltyp lokalisiert ist, in Neuronen aber fehlt, muss die Übertragung eines Energiesubstrats von den Astrogliazellen zu den Neuronen postuliert werden. Es gibt Hinweise, dass diese Verbindung Lactat ist.

MERKE

In den Organen sind die Wege des Kohlenhydratstoffwechsels unterschiedlich ausgeprägt. Der Cori-Zyklus beschreibt die Kompartimentierung der Glykolyse im anaerob arbeitenden Muskel und der Gluconeogenese aus Lactat in der Leber, die als Glucostat des Körpers betrachtet werden kann.

Biochemie des Diabetes
Blutzuckerhomöostase
Blutzuckerspiegel Nahrung wird in der Regel nicht gleichmäßig über den Tag verteilt, sondern in wenigen Mahlzeiten aufgenommen. Andererseits sind einige Zellen und Organe obligat auf Glucose als Energielieferant angewiesen und müssen daher kontinuierlich mit dem Monosaccharid versorgt werden. Dies gilt für die Erythrozyten, das Nebennierenmark und insbesondere das Gehirn, das gerade während einer längeren Periode ohne Mahlzeit, nämlich im Schlaf, besonders aktiv sein kann (REM-Phasen). In der Tat wird die Glucosekonzentration im Blut bei etwa 4,5–6,5 mmol L–1 (80–120 mg/100 mL) konstant gehalten. Diese Konstanz beruht auf einer feinen Abstimmung von Abbau von Nahrungskohlenhydraten, Mobilisierung endogener Glucosespeicher (Glykogen) und Neusynthese von Glucose mit den Anforderungen glucoseverbrauchender Reaktionen im Energiestoffwechsel. Die Koordination von akutem Glucoseverbrauch (z.B. im Skelettmuskel), Produktion und Speicherung von Glucose, v.a. in der Leber, erfolgt durch die Hormone Insulin und Glucagon aus den Inselzellen des Pankreas. Erst in zweiter Linie und in besonderen Situationen (Stress) wirken weitere Hormone wie Catecholamine und Glucocorticoide mit.
Antagonismus von Insulin und Glucagon Die Blutkonzentration von Insulin der B-Zellen und von Glucagon der A-Zellen des Pankreas ist selbst vom Blutglucosespiegel abhängig. Ein Anstieg der Blutglucosekonzentration fördert den Glucoseumsatz und führt zu einer hohen ATP-Konzentration in den B-Zellen. Durch Schließen eines ATP-abhängigen K+-Kanals kommt es zu einer Depolarisierung der Membran, dadurch zur Öffnung eines Ca2+-Kanals und in der Folge zum Ca2+-Einstrom, der die Exozytose insulinhaltiger Vesikel induziert. An der Zielzelle (Muskel, Fettgewebe) bindet Insulin an den Insulinrezeptor. Die Aktivierung des Rezeptors führt zur Translokation des Glucosetransporters GLUT4 aus dem Zytosol in die Plasmamembran, also zu vermehrter Aufnahme von Glucose aus dem Blut. In der Folge sinkt der Blutzuckerspiegel, während in der Leber die insulininduzierte Aktivierung der Glykogen-Synthase und die Hemmung der Phosphorylase die Glucoseverwertung fördern. Insulin wirkt also anabol.
Der Insulinantagonist Glucagon erhöht den Blutzuckerspiegel und stellt damit die Glucoseversorgung anderer Gewebe sicher. Zielzellen des Glucagons sind v.a. die Hepatozyten der Leber. Dort stimuliert Glucagon den Glykogenabbau, die Gluconeogenese und die Freisetzung von Glucose in das Blut.

Blick ins Labor

Die Glucosekonzentration kann im Blut nach Deproteinierung durch einen sog. gekoppelten enzymatischen Test gemessen werden, der sich an den ersten Reaktionen von Glykolyse und Pentosephosphatweg orientiert. Hexokinase und Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase überführen in Gegenwart von ATP, Mg2+ (zur Komplexierung von ATP) und NADP+ die Glucose vollständig in 6-Phosphogluconolacton. Gleichzeitig entstehen stöchiometrische Mengen an NADPH, das im Photometer quantifiziert wird (Endpunktbestimmung).

Ein weiterer Test nutzt die Aktivität der mikrobiellen Glucose-Oxidase. Das entstehende H2O2 wird mithilfe des Enzyms Peroxidase in einer Farbreaktion bestimmt. Zur Selbstüberwachung, z.B. bei Diabetes, sind Teststreifen erhältlich, auf denen die Enzyme und Substrate immobilisiert sind und die mit einem geringen Blutvolumen auskommen. Das farbige Produkt wird refraktometrisch in einem kleinen Messgerät (Glucometer) quantifiziert. Um bei längerer Überwachung von Patienten die häufige Blutentnahme zu vermeiden, sind nichtinvasive Methoden der Glucosebestimmung in Entwicklung. Die transkutane Messung der Blutglucose (Ohrläppchen) beruht auf der physikalischen Technik der Nah-Infrarotspektroskopie.

Diabetes mellitus
Hyperglykämie Der Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) ist durch eine erhöhte Glucosekonzentration im Blut charakterisiert, die durch einen absoluten oder relativen Mangel an Insulin hervorgerufen wird. Die Hyperglykämie (160 mg/100 mL 9 mmol L–1) führt systemisch zu einer Glucosurie mit vermehrter Wasserausscheidung (Durst!).
Intrazellulär ist der Intermediärstoffwechsel erheblich gestört: Der Glucosemangel führt in den Zellen, die Glucose nur insulinabhängig importieren (Fett- und Muskelzellen), zu verstärkter Gluconeogenese und -Oxidation von Fettsäuren und damit zu einer vermehrten Bildung von Ketonkörpern, die als Säuren Protonen abgeben. Folge ist eine metabolische Azidose. Elektrolytverschiebungen und intrazelluläre Dehydratation schädigen die Zellen. Die erhöhte Osmolarität führt zu einer Volumenabnahme des zirkulierenden Bluts, was über die verminderte Durchblutung des Gehirns zum Koma führen kann.
Formen des Diabetes Diabetes tritt in zwei Formen auf. Beim Typ-1-Diabetes sind die insulinausschüttenden B-Zellen des Pankreas schon in frühen Jahren zerstört. Ursache ist offenbar eine Autoimmunreaktion. Im Serum der Patienten lassen sich Autoantikörper gegen die 67-kDa-Isoform der Glutamat-Decarboxylase nachweisen, eines Enzyms, das in GABAergen Neuronen den inhibitorischen Neurotransmitter -Aminobuttersäure durch Decarboxylierung von Glutamat synthetisiert. Es ist allerdings unklar, welche Funktion das Enzym in den B-Zellen hat. Reagieren die Antikörper mit der Glutamat-Decarboxylase der B-Zellen, so gehen diese zugrunde, und es wird kein Insulin mehr produziert. Auch andere Antikörper, z.B. die sog. Inselzellautoantikörper, Insulinautoantikörper oder Autoantikörper gegen eine Isoform der Tyrosin-Phosphatase lassen sich im Serum nachweisen. Diese Form des Diabetes hieß früher auch insulinabhängiger Diabetes, weil Insulingabe die Symptomatik aufhebt.
Beim Typ-2-Diabetes reagieren die Zielzellen des Insulins nicht mehr ausreichend auf Insulin. Das kann mehrere Ursachen haben, etwa eine Abnahme der Zahl oder der Affinität der Insulinrezeptoren oder eine verminderte Qualität der intrazellulären Signalübertragung. Der Typ-2-Diabetes tritt vornehmlich mit zunehmendem Alter auf. Da normale Dosen von Insulin die Symptomatik nicht ändern, sprach man auch von insulinunabhängigem Diabetes.
Spätfolgen des Diabetes
Polyolparadigma Ein Erklärungsmodell mancher Spätfolgen des Diabetes, wie Katarakt, periphere Neuropathie und Nephropathie (mit Nierenversagen), ist das Polyolparadigma. Der Polyolweg (oder Sorbitolweg) des Glucoseabbaus zu Fructose besteht aus zwei Enzymen, der NADPH-abhängigen Aldose-Reduktase und der Sorbitol-Dehydrogenase, die NAD+ als Coenzym benutzt (Abb. 5.43). Beide Enzyme werden nur in wenigen Geweben gleich gut exprimiert, so etwa in den Seminalvesikeln. Die Bereitstellung von Fructose bei gleichzeitiger Abwesenheit von Glucose verschafft den Spermien einen Stoffwechselvorteil in der Konkurrenz mit der vaginalen Mikroflora, die nur Glucose nutzen kann. In den meisten Zellen des Körpers erweist sich allerdings die Expression v.a. der Aldose-Reduktase als nachteilig, wenn die Zellen bei chronisch erhöhter Blutglucosekonzentration mit dem Monosaccharid überschwemmt werden. Dann wird zusätzlich zur Glykolyse der Polyolweg beschritten: Bei geringer Aktivität der Sorbitol-Dehydrogenase akkumuliert Sorbitol in den Zellen, deren Membran für die sehr hydrophile Substanz wenig permeabel ist. Da das osmotische Ungleichgewicht durch Wassereinstrom ausgeglichen wird, schwellen die Zellen an, und es kommt zu Sekundärschäden wie der Linsentrübung nach Aggregation von Faserproteinen.
Die Akkumulation von Galaktitol bei der hereditären Galaktosämie kann ähnliche Folgen haben. Es sei angemerkt, dass der Aldose-Reduktase in der Niere eine besondere Funktion zukommt, da dort Sorbitol einer der physiologischen Osmolyte bei der Regulation des Zellvolumens ist. In der Tat wird in Nierenzellen Aldose-Reduktase bei chronischer Hyperosmolarität auf Transkriptionsebene induziert.
Proteinglykierung Es gibt experimentelle Befunde ganz anderer Art, die einige der Spätfolgen von Diabetes erklären könnten. Glucose kann sich ohne Vermittlung eines Enzyms mit Proteinen in Form einer Schiff'schen Base verbinden (Abb. 5.44). Das primäre Addukt lagert sich intramolekular unter H2O-Abspaltung um (Amadori-Umlagerung). Diese Reaktion nennt man Glykierung (engl. glycation), um sie von der enzymkatalysierten Glykosylierung zu unterscheiden. Die Glykierung ist bei Körpertemperatur langsam, in langlebigen Proteinen führt sie aber zu irreversiblen strukturellen Veränderungen, den sog. Endprodukten fortgeschrittener Glykierung oder AGEs (advanced glycation end-products). Diese Reaktionen waren Lebensmittelchemikern schon lange bekannt, weil z.B. die Veränderung von Nahrungsproteinen durch Glucose für die Bräunung und das Aroma von gebratenem Fleisch verantwortlich ist (Maillard-Reaktion). Dabei findet wegen der hohen Temperatur eine schnelle Glykierungsreaktion statt.
Da Hämoglobin in Erythrozyten ein langlebiges Protein ist, liegen beim gesunden Menschen 5% der Hämoglobinmoleküle in glykierter Form vor oder enthalten AGEs (HbA1c). Wegen des anhaltend hohen Blutzuckerspiegels beträgt bei Diabetikern der Prozentsatz an Protein-AGEs das Zwei- bis Dreifache im Vergleich mit Gesunden. Man kann sogar die Quantifizierung der AGEs zur Bestimmung der Dauer der Glucoseexposition oder des Erfolgs einer therapeutischen Einstellung des Zuckerspiegels heranziehen. Die Anlagerung von Kohlenhydraten an Proteine könnte die Trübung der Augenlinse beim diabetischen Katarakt verursachen, wird aber auch als Erklärungsmodell für Mikroangiopathien und die daraus resultierende Neuro- und Nephropathie herangezogen.

MERKE

Schlecht eingestellter Diabetes mit chronisch hohem Blutzuckerspiegel führt zu Neuropathie, Nephropathie, Gefäßverengung und Katarakt, die z.T. biochemisch auf der intrazellulären Akkumulation von Sorbitol durch die Aktivität der Aldose-Reduktase oder auf einer Anhäufung glucosemodifizierter gealterter Proteine beruhen können.

ZUSAMMENFASSUNG

Struktur und Chemie der Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind in ihren monomeren Formen Polyhydroxycarbonylverbindungen, die als Aldosen oder Ketosen vorkommen. In der Nomenklatur werden die Kettenlänge (z.B. Pentosen oder Hexosen) und die Stereochemie der chiralen, also optisch aktiven Verbindungen berücksichtigt (D- oder L-Form). Anomere Formen ( oder ) resultieren aus der intramolekularen Zyklisierung, die z.B. bei der Glucose einen stabilen Sechsring ergibt.
Wichtige Derivate der monomeren Zucker (Monosaccharide) sind O-glykosidische Verbindungen am anomeren C-Atom mit Alkoholen sowie Aminozucker und Zuckerphosphate. In Desoxyzuckern ist mindestens ein Kohlenstoffatom vollständig reduziert. Verbinden sich die Monosaccharide über glykosidische Bindungen, so ergeben sich Disaccharide (Saccharose, Lactose).
Eine Verlängerung der Kette führt zu linearen oder verzweigten Oligo- und Polysacchariden, die als osmotisch inaktive Speichermoleküle von Glucose in der Pflanze (Stärke) und der tierischen Zelle (Glykogen) vorkommen, aber auch als Dextrane die Zahnplaques bilden. Die Besonderheit der -glykosidischen Bindung zwischen den Glucosebausteinen der Zellulose macht diesen Bestandteil der pflanzlichen Zellwand für den Menschen unverdaubar. Komplexe Kohlenhydrate wie Hyaluronsäure, Chondroitin- und Keratansulfat sind Komponenten der extrazellulären Matrix, der Schleime und der Knorpel. Viele sezernierte Proteine und in der Regel die Proteine der Plasmamembran tragen Oligosaccharidseitenketten (Glykoproteine).

Verdauung und Absorption der Kohlenhydrate

Stärke und Glykogen können im Verdauungstrakt aufgrund der -glykosidischen Bindung zwischen den Glucosebausteinen durch die -Glykosidasen des Speichels (Amylase) und des Darms bis zu den Monosacchariden abgebaut werden. Das spezifische Enzym für die Spaltung der Lactose (-Galactosidase) fehlt den Patienten mit Lactoseintoleranz. Die Monosaccharide werden durch sekundär aktiven Transport in die Epithelzellen der Mukosa aufgenommen und durch Proteine der GLUT-Familie nach dem Mechanismus der erleichterten Diffusion in das Blut exportiert.

Glykolyse, Fermentation und Alkoholabbau

Die im Zytosol ablaufende Glykolyse ist die erste Reaktionsfolge des Glucosekatabolismus, die in der Nettoenergiebilanz durch Substratkettenphosphorylierung zwei Moleküle ATP ergibt und das Kohlenstoffskelett der Hexose ohne Nettooxidation zur C3-Verbindung Pyruvat abbaut. Fermentationen des Pyruvats, wie die einstufige Reduktion zu Lactat oder die zweistufige Decarboxylierung/Reduktion zu Ethanol, dienen ausschließlich der Regeneration des NAD+, ohne das die Glykolyse unter anaeroben Bedingungen bei der Reaktion der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zum Erliegen käme.
Die Hexokinase (in der Leber: Glucokinase) phosphoryliert Glucose an C(6). Die Phosphofructokinase katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Glykolyse und wird vielfältig reguliert. Die Alkoholdehydrogenase leitet den Alkoholabbau beim Menschen ein. Viele Hexosen, Pentosen, aber auch Produkte des Lipidstoffwechsels können in die Glykolyse eintreten.

Pentosephosphatweg und Gluconeogenese

Der Pentosephosphatweg, der mit Glucose-6-phosphat beginnt, ist ein flexibler Stoffwechselweg: Je nach Bedarf der Zelle stellt er NADPH für reduzierende Synthesen und D-Ribose-5-phosphat für die Nucleotidsynthese bereit und wandelt Monosaccharide verschiedener Kettenlänge ineinander um, sodass sie in die Glykolyse eintreten können.
Aus den Nichtkohlenhydratvorstufen Pyruvat oder Lactat und aus den glucogenen Aminosäuren kann Glucose in teilweiser Umkehr der Glykolyse synthetisiert werden. Die irreversiblen Schritte der Glykolyse werden mithilfe spezieller Enzyme umgangen. Aktivierte Zucker, d.h. an ein Nucleosiddiphosphat, meist UDP, gekoppelte Zucker, sind die Vorstufen vieler Disaccharide.

Pyruvat-Dehydrogenase und Citratzyklus

Das Pyruvat der Glykolyse wird durch den Multienzymkomplex der Pyruvat-Dehydrogenase in den Mitochondrien oxidativ zu Acetyl-CoA decarboxyliert. Zu Beginn des Citratzyklus werden (ebenfalls in den Mitochondrien) C2-Einheiten aus verschiedenen Abbauwegen in Form des Acetylrests mit Oxalacetat zu Citrat verknüpft. Die Citrat-Synthase ist einer von mehreren Punkten, an denen der Energie- (ATP) oder Redoxstatus (NADH) der Zelle den Citratzyklus kontrolliert.
In einer Abfolge von acht Reaktionsschritten wird der Acetylrest zu CO2 abgebaut und Oxalacetat regeneriert. Durch Substratkettenphosphorylierung entsteht GTP. NAD+ und FAD werden reduziert und erst zu Beginn der Atmungskette regeneriert, sodass der Citratzyklus nur unter aeroben Bedingungen abläuft. Intermediate des Citratzyklus werden für Biosynthesen genutzt. Anaplerotische Reaktionen (z.B. Oxalacetat aus Malat und CO2) füllen den Zyklus auf.

Glykogenstoffwechsel

Die Biosynthese des Glykogens, v.a. in der Leber, geht von Glucose-6-phosphat aus und läuft über die aktivierte UDP-Glucose ab. Die Glucosereste werden von der Glykogensynthase in -1,4-glykosidischer Bindung an der wachsenden Kette miteinander verknüpft, wobei das Branching-Enzym die Kettenverzweigung katalysiert. Die De-novo-Synthese von Glykogen benötigt das Protein Glykogenin als Startmolekül. Glykogen wird durch das Debranching-Enzym und die Glykogenphosphorylase über Glucose-1-phosphat als Intermediat zu Glucose-6-phosphat abgebaut. Phosphorylierung/Dephosphorylierung und allosterische Effektoren regulieren die Aktivität der am Glykogenmetabolismus beteiligten Enzyme.

Kohlenhydratstoffwechsel

Glucose-6-phosphat, Pyruvat und Acetyl-CoA sind zentrale Moleküle im Intermediärstoffwechsel, da sie aus mehreren katabolen Stoffwechselwegen hervorgehen und Edukte für eine Reihe von anabolen Stoffwechselwegen sind. Ebenso nimmt der amphibole Citratzyklus eine zentrale Stellung im Intermediärstoffwechsel ein. Der Energie- und der Redoxstatus der Zelle, gespiegelt in den Konzentrationen von ATP/ADP und NADH/NAD+, bestimmen die katabole oder anabole Richtung von Glykolyse/Gluconeogenese, Glykogenmetabolismus und Citratzyklus. Insulin und Glucagon sowie die Catecholamine und Glucocorticoide kontrollieren den Kohlenhydratstoffwechsel durch die Induktion von Leberenzymen und reversible kovalente Enzymmodifikation. Der Kohlenhydratstoffwechsel ist in den Organen unterschiedlich ausgeprägt, eine zentrale Stellung nimmt die Leber als Glucostat des Körpers ein. Im Cori-Zyklus wird Lactat aus der Glykolyse des anaerob arbeitenden Muskels zur Leber transportiert und dort zur Gluconeogenese genutzt.
>
009 IMPP-Fragen

Fragen

  • 1.

    Vergleichen Sie die Formeln der D-Glucose und der L-Fructose. [Kettenlänge, Carbonylgruppe, Stereochemie]

  • 2.

    Vergleichen Sie die Stärke und das Glykogen. [Vorkommen, Zusammensetzung und chemische Struktur, Funktionen]

  • 3.

    Diskutieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die Reaktion der Lactat-Dehydrogenase. Denken Sie dabei an die Richtung der Reaktion aus dem Namen des Enzyms und die pH-Abhängigkeit der Reaktion.

  • 4.

    Vergleichen Sie aerobe Glykolyse, alkoholische Fermentation und Citratzyklus. Denken Sie dabei an Lokalisation, Energieausbeute, Produkte und das Schicksal des Kohlenstoffskeletts.

  • 5.

    Ethanol ist in höheren Konzentrationen für die Bierhefe toxisch. Erläutern Sie, warum die Bierhefe dieses Risiko eingeht. Denken Sie dabei an das Coenzym der Reaktion der Alkoholdehydrogenase und die Reaktion der GAPDH in der Glykolyse.

  • 6.

    Überlegen Sie sich die Komponenten eines optischen Tests für die enzymatische Aktivität der Hexokinase.

  • 7.

    Skizzieren Sie einen nutzlosen Zyklus (engl. futile cycle) der von der Phosphofructokinase und Fructose-1,6-bisphosphatase katalysierten Reaktionen. Wie viel Energie wird dabei als Wärme frei?

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen