Stoffwechsel:

1. Grundprinzipien des Metabolismus

2. Enzyme & Cofaktoren

3. Glykolyse und Gärung

4. Citratzyklus – die zentrale Drehscheibe des Metabolismus

5. Atmungskette und ATP-Synthese

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel

7. Gluconeogenese und Cori-Zyklus

8. Biosynthese und Abbau von Glycogen

9. Fettsäuresynthese und β-Oxidation

10.Stoffwechsel von Cholesterin, Steroiden und Membranlipiden

11.Aminosäurestoffwechsel und Harnstoffzyklus

12.Stoffwechsel der Nukleotide

Inhalt der Vorlesung

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• eine Möglichkeit der Verwertung von Kohlenhydraten, z.B. von Glucose

• adaptives Stoffwechselmodul

• Reduktionsäquivalente in Form von NADPH werden generiert

• dient außerdem der Interkonversion von verschiedenen Kohlenhydraten.

• findet im Cytosol der Zelle (D), bei Pflanzen auch in den Chloroplasten statt

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselPentosephosphatweg = 6-Phosphogluconatweg = Pentosephosphat-Shunt

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6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselNADH und NADPH

3

Nernst Gleichung: E = ln ( cox / cred )RT

nF

NAD+ > NADH Katabolismus

NADPH > NADP+ Anabolismus

In einer Zelle mit ausreichender

Energie/O2-Versorgung:

⇨ NADPH hat höhere Reduktionskraft als

NADH (Biosynthesen !)

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselNADH und NADPH

4

Der Pentosephosphatweg gewährleistet die Bereitstellung von

NADPH und einigen wichtiger Zuckern.

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselStoffwechselwege, die NADPH benötigen

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In Geweben mit viel reduktiven Biosynthesen ist

der Penosephosphatweg sehr aktiv.

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselGewebe mit besonders aktivem Pentosephosphatweg

6

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselNADPH und Glutathion

Ox

RedNADP + NADPH

Glutathion schützt vor oxidativem Stress (speziell in Erythrocyten).

NADPH ist für die Reduzierung notwendig.

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1. Oxidative Phase

Decarboxylierung (C6 → C5)

2. Nichtoxidative Phase

2.1 Isomerisierung/Epimerisierung

2.2 3xC5 → 2xC6 + C3

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselÜbersicht

8

Fructose-6-phosphat

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel1. Oxidativer Teil

9

Halbacetal

(aus Reaktion

von OH mit

Aldehyd) Lacton

(intramolekularer

Ester)

Reaktion ist strikt von NADP+ abhängig (NAD+ wird nicht als

Cofaktor akzeptiert!)

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselGlucose-6-phosphat-Dehydrogenase

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Eine Esterhydrolyse generiert 6-Phosphogluconat:

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel6-Phosphogluconolactonase

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Eine oxidative Decarboxylierung über ein

ß-Ketocarbonsäure-Zwischenprodukt:

Wiederum wird NADP+ als Elektronenakzeptor verwendet!

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel6-Phosphogluconat-Dehydrogenase

Ribulose-5-phosphat

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6. Pentosephosphatweg – der Adapter im Stoffwechsel2. Nicht-oxidativer Teil

Isomerisierung Transketolase/Transaldolase

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1. Isomerisierung

2. Epimerisierung

3 x Ribulose-5-P → 2 x Xylulose-5-P + Ribose-5-P

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselIsomerisierung/Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat

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Ein Problem: Zelle braucht häufig mehr NADPH als Ribose

Die Zelle baut daher überschüssige Ribose in Intermediate der

Glycolyse um.

Diese Umwandlung wird durch zwei Enzyme katalysiert, die man

als Transketolase und Transaldolase bezeichnet.

C5 + C5 C3 + C7

C3 + C7 C6 + C4

C4 + C5 C6 + C3

3 C5 2 C6 + C3

Transketolase

Transketolase

Transaldolase

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselTransketolase und Transaldolase: Notwendigkeit

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6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselUmlagerung des Kohlenstoffgerüstes: Transketolase und Transaldolase

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TPP-Enzyme

C2-Einheit von Ketose auf Aldose

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselUmlagerung des Kohlenstoffgerüstes: Transketolase

17

Reaktion ist der des E1 vom Pyruvat-Dehydrogenasekomplex

(Oxidation von Pyruvat zum Acetat) sehr ähnlich

Cofactor,

von Vitamin B1

abgeleitet

nucleophiler Angriff

des Carbanions am

Ketosubstrat

Elektronenfalle

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transketolase (Teil 1)

18

jetzt wird dieses C

zum Nucleophil

Aktivierter Glycoaldehyd

(C2-Einheit)

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transketolase (Teil 2)

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um C2-Einheit verlängerter Zucker

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transketolase (Teil 3)

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Überträgt C3-Einheit von Ketose auf Aldose,

kein TPP-Enzym

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselUmlagerung des Kohlenstoffgerüstes: Transaldolase

Sedoheptulose-7-

phosphat

Glycerinaldehyd-3-

phosphat

Erythrose-4-

phosphat

Fructose-6-

phosphat

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TPP ist hier nicht Cofaktor! Das Carbanion wird durch eine

Schiff‘sche Base generiert.

ist bei diesem Mechanismus

die „Elektronenfalle“

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transaldolase (Teil 1)

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eine C3-Einheit (instabil,

reagiert sofort mit

Aldose-Substrat)

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transaldolase (Teil 2)

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Hydrolyse der Schiff‘schen Base

Deprotonierung der Schiff‘schen

Base

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselMechanismus der Transaldolase (Teil 3)

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Carbanione sind bei der Transketolase

und Transaldolase wichtige Zwischenprodukte.

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselTransketolase und Transaldolase

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6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselTransketolase und Transaldolase

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überschüssige Ribose kann vollständig

in Zwischenstufen der Glykolyse um-

gewandelt werden

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselDie Nettogleichung

Oxidativer Teil:

Nicht-oxidativer Teil:

Gesamtbilanz:

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Voraussetzung: Reversibilität der Transketolase/Transaldolase-Reaktionen

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselAdapter im Zucker- und Nukleotid-Stoffwechsel

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Fall 1: Energieladung hoch:

Gluconeogenese, C5→C6Fall 2: Energieladung niedrig:

Glycolyse, C5 →Pyruvat,

ATP, NADH

Fall 3: DNA/RNA-Synthese

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselAnpassung an wechselnde zelluläre Bedürfnisse

Es fällt kein NADPH an!

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6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselRegulation

30

Kontrollmechanismen des Pentosephosphatwegs:

6. Pentosephosphatweg – der Adapter im StoffwechselZusammenfassung

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Der Pentosephosphatweg dient zur Gewinnung von NADPH, dem Reduktionsäquivalent

zahlreicher anaboler Prozesse, und D-Ribose, dem Baustein von Nukleotiden und

Nukleinsäuren.

In der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs wird das C1-Atom von Glucose-6-

phosphat in zwei Schritten oxidiert und zum Ribulose-5-phosphat decarboxyliert; dabei

werden 2 NADPH gebildet.

In der nichtoxidativen Phase des Pentosephosphatwegs entsteht aus Ribulose-5-phosphat

durch Isomersierung zunächst Ribose-5-phosphat, das für die Nukleotidsynthese verwendet

werden kann.

Alternativ werden durch Epimerisierung und mehrfache intermolekulare Umlagerungen aus

drei Pentosephosphaten zwei Moleküle Fructose-6-phosphat und ein Molekül Glycerinaldehyd-

3-phosphat gebildet.

Der Pentosephosphatweg kann sich dem wechselnden Bedarf der Zelle nach NADPH und

Pentosephosphaten dynamisch anpassen, da die Produkte der nichtoxidativen Phase auch

Intermediate von Glykolyse bzw. Glukoneogenese sind und deshalb – je nach Bedarf –

wieder in Glucose-6-phosphat umgewandelt oder zur Energiegewinnung oxidativ abgebaut

werden können.

Die Regulation der Reaktionsabfolgen beim Pentosephosphatweg erfolgt über das NADP+-

Angebot (Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase) und die Verfügbarkeit der Intermediate

der nichtoxidativen Phase.