9.

Abbau der Glukose zum Pyruvat

236

Presence of O2 (aerobic)

Absence of O2 (anaerobic)

Pentosephosphate

Pathway (PPP)Glycolysis

9.1. Übersicht: Abbau von Glucose

Oxidative

Phosphorylation Alcoholic

Fermentation

NADP+

NADPH

Homolactic

Fermentation

Glucose

237

Citric Acid

CycleCitric Acid

Cycle

PDH

Complex

9.2. Glycolyse

Hauptabbauweg der Glucose in (fast) allen Organismen

Zweck: Gewinnung von ATP und NADH

Gesamtreaktion:

2 NADH

ADP +

Pi

(inorganic phosphate) 2 ATP

2 22 NAD+

CC

CCC

C

Glucose

C C CPyruvat

238

-I

±0

±0 ±0

+1

±0

S Oxidationstufen der C-Atome:

-I + 4(±0) + -I = ±0

S Oxidationstufen der C-Atome:

2(-III + +II + +III ) = +IV

-III

+II

+III

Beim Abbau der Glucose in der Glycolyse werden den C-Atomen durch NAD+

4 Elektronen entzogen

9.2.1. Einzelreaktionen der Glycolyse

239

240

Die Glycolyse ist ein Beispiel für Substratkettenphosphorylierung:

der schrittweise Abbau/Umbau eines organischen Moleküls wird gekoppelt mit

der Bildung eines phosphorylierten Zwischenprodukts, das in der Lage ist, ADP

zu ATP zu phosphorylieren

Ablauf und Zweck der Reaktionsschritte in der Glycolyse

▪ Schritt 1: Hexokinase Reaktion

Festhalten” der Glucose im Cytosol

▪ Schritt 2: Phosphoglucomutase (PGM) Reaktion

Umgestaltung des C6-Molekülgerüsts, um in Schritt 4 die Spaltung in zwei

C3-Moleküle zu ermöglichen

▪ Schritt 3: Phosphofruktokinase (PFK) Reaktion

Einführung einer zweiten negativ geladenen Gruppe, um die Spaltung des

Molekülgerüsts in Schritt 4 zu begünstigen

▪ Schritt 4 & 5: Aldolase Reaktion und Triosephosphatisomerase (TIM) Reaktion:

Erzeugung von 2 identischen Aldehyden, die in Schritt 6 oxidiert werden

können

Reaktion 1: Hexokinase (HK)

241

Kinase Substrat: ATP-Mg2+-Komplex

242

Reaktion 2: Phosphoglucoisomerase (PGI)

243

PGI Reaktion: Säure-Base Katalyse

B+ = ε-NH3+-Gruppe

von K

B’ = Imidazol-Gruppe

von H

244

Reaktion 3: Phosphofructokinase (PFK)

245

Reaktion 4: Aldolase

246

Mechanismus der Aldolase Reaktion

Säure-Base Katalyse durch b-Carboxylatgruppe

von D-Rest im aktiven Zentrum

-COO- + H+ -COOH

247

Reaktion 5: Triosephosphatisomerase (TIM)

248

249

▪ Zwischenbilanz der Glykolyse nach Ablauf der Schritte 1-5:

Energie: -2 ATP

Elektronen: ±0 NADH C-Atome in GAP auf gleicher Oxid.stufe wie Glucose

▪ Schritt 6: Glycerinaldehydphosphat Dehydrogenase (GAPDH) Reaktion

Oxidation der Aldehydgruppe mit gleichzeitiger Phosphorylierung der

entstandenen Carbonsäure → Bildung von NADH

→ Bildung eines energiereichen

Phosphoanhydrids (ohne ATP Verbrauch!)

Warum ist es in der GAPDH Reaktion thermodynamisch möglich, dass

eine energiereiche Phosphorylverbindung entsteht?

Oxidation eines Aldehyds zur Carbonsäure mittels NAD+ liefert

DG ≈ -50 kJ/mol

Die Bildung eines Phosphoanhydrids aus Carbonsäure und Phosphat

benötigt DG ≈ +50 kJ/mol

→ die Oxidation liefert gerade genug Energie für die Phosphorylierung

Wie wird es mechanistisch ermöglicht Oxidation und Phosphorylierung

zu koppeln? → siehe Folie 252

Reaktion 6: Glycerinaldehyd-3-phosphate

Dehydrogenase (GAPDH)

250

GAPDH: Katalysemechanismus

251

252

▪ Schritt 7: Phosphoglyceratkinase (PGK) Reaktion

Nutzung der energiereichen Phosphoanhydrid-Bindung zur ATP Synthese

▪ Zwischenbilanz der Glycolyse nach Ablauf der Schritte 1-7:

Energie: ± 0 ATP

Elektronen: + 2 NADH (pro Molekül Glucose)

C-Atome im 3PG sind auf der gleichen Oxid.stufe wie

Pyruvat → die verbleibenden Schritte der Glykolyse

enthalten keine weitere Oxidation des C-Gerüsts

Die Phosphorylgruppe im 3PG ist nicht energiereich genug, um ADP zu

phosphorylieren (Hydrolyse DG ≈ -10 kJ/mol).

→ Warum ist es trotzdem möglich, dass 2 ATP in der Glycolyse

gewonnen werden?

▪ Schritt 8: Phosphoglycerat Mutase Reaktion

Verlagerung der Phosphorylgruppe auf das mittlere C-Atom, um Bildung des

Phosphoenolpyruvats (enthält sehr energiereiche Phosphorylgruppe!)

vorzubereiten

Reaktion 7: Phosphoglyceratkinase (PGK)

253

Reaktion 8: Phosphoglyceratmutase (PGM)

254

PGM: Katalysemechanismus

255

256

▪ Schritt 9: Enolase Reaktion

Bildung des energiearmen H2O Moleküls und Entropiegewinn durch

Molekülspaltung wird zur Ausbildung einer energiereichen C=C

Doppelbindung genutzt

▪ Schritt 10: Pyruvatkinase (PK) Reaktion

Die extrem energiereiche Phosphorylgruppe des Phosphoenolpyruvats

(PEP) wird zur ATP Bildung genutzt

Warum ist die Phosphorylgruppe im PEP so extrem energiereich?

Durch Keto-Enol Tautomerie wird die Enol-Gruppe in die

wesentlich energieärmere Ketogruppe umgewandelt (C=C

Bindungen sind energiereicher als C=O Bindungen)

C C O H

H C C O

Reaktion 9: Enolase

257

Reaktion 10: Pyruvatkinase (PK)

258

Ablauf der Pyruvatkinase Reaktion

259

Energiebilanz der Pyruvatkinase Reaktion

260

261

Zweck: ▪ Gewinnung von NADPH (für anabole Redoxreaktionen)

▪ Bereitstellung von Ribose-5-Phosphat für Biosynthese von Nukleotiden

▪ Bereitstellung von Erythrose-4-Phosphat für Biosynthese aromatischer

Aminosäuren

Warum wird NAD+/NADH für katabole und NADP+/NADPH für anabiole

Redoxreaktionen verwendet?

▪ Zelluläre Konzentrationsverhältnisse der Redox-Cofaktoren:

9.3. Pentosephosphat Weg (Pentosephosphat Pathway = PPP)

[NADP+]

[NADPH]

[NADH]

[NAD+]≈ 1000

≈ 0.01

→ das NAD+/NADH System ist relativ elektronenarm

und fungiert daher vorwiegend als Oxidationsmittel

→ das NADP+/NADPH System ist relativ elektronenreich

und fungiertt daher vorwiegend als Reduktionsmittel

262

9.3. Pentosephosphat Weg (Pentosephosphat Pathway = PPP)

Gesamtreaktion des PPP:

6 NADPH

6 NADP+

S Oxidationstufen

der C-Atome = ±0

S Oxidationstufen

der C-Atome:

+I

+IV±0

-IFructose-6-

phosphatGlycerinaldehyd-

3-phosphat

3(+IV) ±02(±0) + + = +XII

Verknüpfung von PPP und Glycolyse

263

Oxidative

Phase

Nicht-oxidative

Phase

9.3.1. Einzelreraktionen des PPP

264

265

1. Hälfte des PPP: die oxidative Phase

▪ Die PPP Endprodukte NADPH und CO2 werden gebildet

▪ Ribulose-5-phosphat (C5-Körper) dient als Ausgangssubstrat für 2. Hälfte des

▪ Gesamtreaktion der oxidativen Phase:

3 Glucose-6-phosphat

+

3 H2O

6 NADPH6 NADP+

3 Ribulose-5-phosphat

+

3 CO2 + 6 H+

▪ NADPH-Bildung ist mit CO2-Abspaltung gekoppelt = oxidative Decarboxylierung

Mechanismus: nach Oxidation durch NADP+ entsteht ein Zwischenprodukt, das

instabil ist, da CO2 Abspaltung aus b-Ketocarbonsäuren nur eine geringe

Aktivierungsenergie aufweist (Mesomeriestabilisierung des Übergangszustands)

Mesomerie EnolatCarbanion

Übergangszustand

Keto-Enol

Tautomerie

6-Phosphogluconatdehydrogenase

Reaktion

instabil

(β-Ketocarbonsäure!)

266

267

2. Hälfte des PPP: die nicht-oxidative Phase

▪ Die PPP Endprodukte Fructose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat

werden gebildet

▪ Umbau des C5 Körpers Ribulose-5-phosphat (Endproduct der oxidativen Phase)

in C6 Körper (Fructose-6-phosphate) und C3 Körper (GAP), die in Glycolyse

unter Gewinnung von ATP und NAD+ abgebaut werden können

▪ Umbau der Molekülgerüste wird durch Transaldolasen und Transketolasen

katalysiert (gekoppelte Aldol-/Ketolspaltung und Aldol-/Ketoladdition)

▪ C-Körper der nicht-oxidativen Phase können als Grundgerüste für andere

Biosynthesen dienen (z. B. Ribose-5-phosphat, Erythrose-4-phosphat)

▪ Gesamtreaktion der nicht-oxidativen Phase:

3 Ribulose-5-phosphat

(3x C5 = 15 C-Atome)

2 Fructose-6-phosphat

(2x C6 = 12 C-Atome)

+

Glycerinaldehyd-3-phosphat

(1x C3 = 3 C-Atome)

268

Regulation des Metabolismus kann auf Ebene der Gene oder der durch sie

codierten Enzyme erfolgen

▪ schnelle Regulation durch Veränderung der Enzymaktivität mittels

allosterischer Effektoren (Aktivatoren, Inhibitoren; siehe Kapitel 4.5.)

▪ langsame Regulation durch Veränderung der Genexpression (siehe Genetik VL)

9.4. Regulation von Stoffwechselwegen

Welche Enzyme eines Stoffwechselwegs werden reguliert?

Das Enzym muß

▪ spezifisch für den Stoffwechselweg sein (Selektivität)

▪ eine Reaktion katalysieren, die möglichst nahe am Beginn des

Stoffwechselwegs stattfindet (Effizienz)

▪ eine “irreversible” Reaktion (DG <<0) katalysieren (Richtung)

→ Phosphofructokinase (PFK) ist der Hauptregulationspunkt der Glycolyse

Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen

Standardbedingungen:

Konzentration der

Reaktanden ist 1 M

berücksichtigt

zelluläre Konzentrationen

der Reaktanden (≠1 M)

269DG = DG0’ + RTln K

Verhältnis der Konzentrationen der

Reaktanden im zellulären Gleichgewicht

Energiebilanz der Glycolyse-Reaktionen (II)

DG

“irreversibel”

(stark negatives DG)

vollständig reversibel

(DG ≈ 0)

270