Laktat ist ein Substrat für die Gluconeogenese. Pentosephosphatweg. Gluconeogenese. Biosynthese und Mobilisierung von Glykogen. Einbeziehung von Aminosäuren in die Glukosesynthese

Gluconeogenese. Dieser Prozess ist charakteristisch für Vertreter aller Königreiche lebender Organismen, aber für die meisten wichtig hat für die Zellen höherer Tiere. Tatsache ist, dass embryonale Gewebe, das Gehirn, die Hoden und die roten Blutkörperchen nur D-Glucose als Kohlenstoffquelle nutzen können. Wenn es in der Ernährung an Kohlenhydraten mangelt, wird der Glykogenabbau in der Leber induziert, aber diese Quelle reicht möglicherweise nicht aus (das menschliche Gehirn verbraucht mehr als 120 g Glukose pro Tag). In diesem Fall wird Glukose im Körper während der Gluconeogenese aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorläufern synthetisiert. Die Gluconeogenese ist bei Tieren in den Zellen der Leber und der Nieren am aktivsten.

Gluconeogenese-Reaktionen sind weitgehend identisch mit den Rückreaktionen der Glykolyse und viele von ihnen werden von denselben Enzymen katalysiert, die an der Glykolyse beteiligt sind.

Bei der Glykolyse gibt es also drei praktisch irreversible Reaktionen, bei der Gluconeogenese dagegen Problemumgehungen .

Erster Workaround stellt die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat dar. Um Pyruvat direkt in Phosphoenolpyruvat umzuwandeln, reicht die Energie der ATP-Spaltung nicht aus, daher wird dieser Schritt im Rahmen mehrerer Reaktionen durchgeführt. Zunächst wird Pyruvat, das hauptsächlich im Zytoplasma entsteht (aus Laktat, Aminosäuren, bei der Glykolyse), in die Mitochondrien transportiert und dort zu Oxalacetat carboxyliert.

Die Reaktion wird durch Pyruvatcarboxylase katalysiert, die Biotin als Cofaktor nutzt. Oxalacetat wird in Mitochondrien zu Malat (mitochondriale Malatdehydrogenase) reduziert, das mithilfe spezifischer Transporter in das Zytoplasma transportiert wird. Im Zytoplasma wird Malat zu Oxalacetat (zytoplasmatische Malatdehydrogenase) reoxidiert, das durch GTP-abhängige Phosphoenolpyruvatcarboxylase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) decarboxyliert wird.

Zweiter Workaround Bei der Gluconeogenese handelt es sich um die Umwandlung von Fructose-Diphosphat in Vructose-6-Phosphat. Bei der Glykolyse ist die Phosphofructokinase-Reaktion, begleitet von der ATP-Hydrolyse, irreversibel. Bei der Gluconeogenese fungiert ein weiteres Enzym, die Fructosediphosphatase, die die nahezu irreversible Entfernung der Phosphatgruppe vom ersten Kohlenstoffatom katalysiert. Fruktosediphosphatase ist wie Pyruvatcarboxylase ein allosterisches Enzym. Seine Aktivität wird durch AMP gehemmt und durch ATP aktiviert.

Dritte Problemumgehung- Eine Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat kann nicht durch direkte Umkehr der Hexokinase-Reaktion erfolgen. Diese Reaktion wird durch Glucose-6-Phosphatase katalysiert, die auf der Innenoberfläche der Membranen des glatten endoplasmatischen Retikulums (ER) lokalisiert ist. Um diese Reaktion durchzuführen, wird daher Glucose-6-phosphat zum ER transportiert, wo es zu freier Glucose dephosphoryliert wird. Es ist zu beachten, dass Glucose-6-Phosphatase in Geweben wie Muskeln und Gehirn fehlt und daher keine freie Glucose ins Blut liefern kann.

Die Gesamtgleichung für die Gluconeogenese lautet wie folgt:

Aus der obigen Bilanz ergibt sich das Bildung eines Glukosemoleküls Bei der Gluconeogenese werden sechs hochenergetische Phosphatbindungen sowie zwei NADH-Moleküle verbraucht. Es ist wichtig zu beachten, dass die Regulierung der Glukosesyntheserate in diesem Weg durch Enzyme erfolgt, die nicht an der Glykolyse beteiligt sind. Gleichzeitig findet die Gluconeogenese unter bestimmten Bedingungen am intensivsten statt hoher Inhalt In der Zelle befinden sich Brennstoffmoleküle, insbesondere Acetyl-CoA, und eine ausreichende Menge ATP.

Glycerin wird über Dihydroxyacetonphosphat in den Gluconeogeneseweg einbezogen, in das es nach Phosphorylierung (unter Beteiligung von ATP) und Dehydrierung umgewandelt wird.

Aminosäuren gelangen über Metaboliten wie Pyruvat und Oxalacetat in den Stoffwechselweg, die bei der Umlagerung ihrer Kohlenstoffgerüste entstehen. Laktat muss zu Pyruvat oxidiert werden, bevor es in die Gluconeogenese eintritt.

Gluconeogenese ist die Synthese Glucose aus Nicht-Kohlenhydrat-Bestandteilen: Laktat, Pyruvat, Glycerin, Ketosäuren Krebszyklus und andere Ketosäuren, von Aminosäuren. Alle Aminosäuren außer dem ketogenen Leucin und Lysin sind in der Lage, an der Glukosesynthese teilzunehmen. Die Kohlenstoffatome einiger von ihnen – glucogen – sind vollständig im Glukosemolekül enthalten, andere – gemischt – sind teilweise enthalten.

Neben der Produktion von Glukose sorgt auch die Glukoneogenese Reinigung„Schlacke“ – Laktat, ständig in roten Blutkörperchen gebildet oder während Muskelarbeit, Und Glycerin, ein Produkt der Lipolyse im Fettgewebe.

Wie bekannt ist, in Glykolyse Es gibt drei irreversible Reaktionen: Pyruvatkinase(Zehntel), Phosphofruktokinase(dritter) und Hexokinase(Erste). Diese Reaktionen setzen Energie für die ATP-Synthese frei. Daher entstehen im umgekehrten Prozess Energiebarrieren, was die Zelle durch zusätzliche Reaktionen umgeht.

Die Gluconeogenese umfasst alles reversible Reaktionen Glykolyse und spezielle Problemumgehungen, d.h. es reproduziert die Oxidationsreaktionen von Glucose nicht vollständig. Seine Reaktionen können in allen Geweben auftreten, mit Ausnahme der letzten Glucose-6-Phosphatase-Reaktion, die nur in auftritt Leber Und Nieren. Daher findet die Gluconeogenese streng genommen nur in diesen beiden Organen statt.

In diesem Stadium der Gluconeogenese wirken zwei Schlüsselenzyme – in den Mitochondrien Pyruvatcarboxylase und im Zytosol.

Chemisch gesehen ist der Workaround für die zehnte Reaktion recht einfach:

Eine vereinfachte Version der Umgehung der zehnten Reaktion der Glykolyse

Der Punkt ist jedoch, dass Pyruvatcarboxylase befindet sich in den Mitochondrien und Phosphoenolpyruvatcarboxykinase– im Zytosol. Verschärft das Problem Undurchdringlichkeit Mitochondrienmembran für Oxalacetat. Aber es kann die Membran passieren Malat, eine Vorstufe von Oxalacetat im TCA-Zyklus.

Daher sieht in Wirklichkeit alles komplizierter aus:

1. Im Zytosol kann bei der Oxidation Brenztraubensäure entstehen Milchsäure und in der Transaminierungsreaktion Alanin. Danach wandert Pyruvat mit H+-Ionen entlang des Protonengradienten in die Mitochondrien. In Mitochondrien Pyruvatcarboxylase wandelt Brenztraubensäure um Oxalacetat.

Die Pyruvat-Carboxylase-Reaktion findet ständig in der Zelle statt, da Oxalacetat der Hauptregulator für die Geschwindigkeit des TCA-Zyklus ist. Die Reaktion wird als anaplerotische (Nachschub-) TCA-Zyklusreaktion bezeichnet.

2. Als nächstes könnte Oxalacetat in Phosphoenolpyruvat umgewandelt werden, allerdings muss es dazu zunächst in das Zytosol gelangen. Daher erfolgt unter Beteiligung die Reaktion der Reduktion von Oxalacetat zu Malat Malatdehydrogenase. Dadurch reichert sich Malat an, gelangt in das Zytosol und wird wieder in Oxalacetat umgewandelt.

Ein Überschuss an NADH in den Mitochondrien ermöglicht die Umkehrung der Malat-Dehydrogenase-Reaktion. NADH entsteht durch β-Oxidation von Fettsäuren, die bei Glukosemangel in den Hepatozyten aktiviert werden.

3. Im Zytoplasma Phosphoenolpyruvatcarboxykinase führt die Umwandlung von Oxalacetat durch Phosphoenolpyruvat, die Reaktion erfordert die Energie von GTP. Derselbe Kohlenstoff, der hinzugefügt wird, wird aus dem Molekül entfernt.

Umgehung der zehnten Glykolysereaktion

Umgehung der dritten glykolytischen Reaktion

Das zweite Hindernis der Glukosesynthese, die Phosphofructokinase-Reaktion, wird mit Hilfe eines Enzyms überwunden Fruktose-1,6-Biphosphatase. Dieses Enzym kommt in den Nieren, der Leber und der quergestreiften Muskulatur vor. Somit sind diese Gewebe in der Lage, Fructose-6-Phosphat und Glucose-6-Phosphat zu synthetisieren.

Gluconeogenese - der Prozess der Glukosesynthese aus Nicht-Kohlenhydrat-Substanzen. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Blutzuckerspiegel bei längerem Fasten und intensiver körperlicher Aktivität aufrechtzuerhalten. Der Prozess findet hauptsächlich in der Leber und weniger intensiv in der Nierenrinde sowie in der Darmschleimhaut statt. Diese Gewebe können die Synthese von 80–100 g Glukose pro Tag ermöglichen. Während des Fastens deckt das Gehirn den größten Teil des Glukosebedarfs des Körpers. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass Gehirnzellen im Gegensatz zu anderen Geweben nicht in der Lage sind, den Energiebedarf durch die Oxidation von Fettsäuren zu decken. Zusätzlich zum Gehirn gibt es beispielsweise Gewebe und Zellen, in denen der aerobe Abbauweg unmöglich oder eingeschränkt ist , rote Blutkörperchen (es fehlen Mitochondrien), Netzhautzellen, Nebennierenmark usw. Die Hauptsubstrate der Gluconeogenese sind Laktat, Aminosäuren und Glycerin. Die Einbeziehung dieser Substrate in die Gluconeogenese hängt vom physiologischen Zustand des Organismus ab.

Laktat - Produkt der anaeroben Glykolyse. Es wird unter allen Bedingungen des Körpers in roten Blutkörperchen und arbeitenden Muskeln gebildet. Somit wird Laktat ständig bei der Gluconeogenese verwendet.

Glycerin wird bei der Hydrolyse von Fetten im Fettgewebe während des Fastens oder bei längerer körperlicher Aktivität freigesetzt.

Aminosäuren entstehen durch den Abbau von Muskelproteinen und sind bei längerem Fasten oder längerer Muskelarbeit an der Gluconeogenese beteiligt.

Die meisten Gluconeogenese-Reaktionen erfolgen durch reversible glykolytische Reaktionen und werden von denselben Enzymen katalysiert. Die drei Reaktionen der Glykolyse sind jedoch thermodynamisch irreversibel. In diesen Stadien laufen die Gluconeogenese-Reaktionen auf andere Weise ab. Es ist zu beachten, dass die Glykolyse im Zytosol stattfindet und einige der Gluconeogenese-Reaktionen in Mitochondrien stattfinden.

Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat . Die Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat erfolgt durch zwei Reaktionen, von denen die erste in Mitochondrien stattfindet. Pyruvat, das aus Laktat oder bestimmten Aminosäuren entsteht, wird in die mitochondriale Matrix transportiert und dort zu Oxalacetat carboxyliert.

Pyruvatcarboxylase A, Diese Reaktion wird von einem mitochondrialen Enzym katalysiert, dessen Coenzym Biotin ist. Die Reaktion erfolgt mittels ATP.

Weitere Umwandlungen von Oxalacetat finden im Zytosol statt. Daher muss in diesem Stadium ein System zum Transport von Oxalacetat durch die Mitochondrienmembran vorhanden sein, das für diese undurchlässig ist. Oxalacetat in der mitochondrialen Matrix wird unter Beteiligung von NADH zu Malat reduziert (Umkehrreaktion des Citratzyklus).

Das entstehende Malat passiert dann mithilfe spezieller Transporter die Mitochondrienmembran. Darüber hinaus kann Oxalacetat im Rahmen des Malat-Aspartat-Shuttle-Mechanismus in Form von Aspartat von den Mitochondrien zum Zytosol transportiert werden. Im Zytosol wird Malat durch eine Oxidationsreaktion unter Beteiligung des Coenzyms NAD+ wieder in Oxalacetat umgewandelt. Beide Reaktionen: die Reduktion von Oxalacetat und die Oxidation von Malaga werden durch Malatdehydrogenase katalysiert, im ersten Fall handelt es sich jedoch um ein mitochondriales Enzym und im zweiten Fall um ein zytosolisches Enzym. Im Cytosol aus Malat gebildetes Oxalacetat wird dann in einer durch Phosphoenolpyruvatcarboxykinase, einem GTP-abhängigen Enzym, katalysierten Reaktion in Phosphoenolpyruvat umgewandelt.

Bildung von Glukose aus Laktat. Laktat, das in intensiv arbeitenden Muskeln oder in Zellen mit überwiegend anaerobem Glukoseabbau gebildet wird, gelangt ins Blut und dann in die Leber. In der Leber ist das NADH/NAD+-Verhältnis geringer als im kontrahierenden Muskel, sodass die Laktatdehydrogenase-Reaktion in die entgegengesetzte Richtung verläuft, d. h. zur Bildung von Pyruvat aus Laktat. Als nächstes wird Pyruvat in die Gluconeogenese einbezogen und die entstehende Glukose gelangt ins Blut und wird von der Skelettmuskulatur aufgenommen. Diese Abfolge von Ereignissen wird aufgerufen " Glukose-Laktat-Zyklus“ oder „Cori-Zyklus“. " .

Der Corey-Zyklus ist abgeschlossen 2 wichtige Funktionen: 1 – sorgt für die Verwertung von Laktat; 2 - verhindert die Ansammlung von Laktat und infolgedessen einen gefährlichen Abfall des pH-Wertes (Laktatazidose). Ein Teil des aus Laktat gebildeten Pyruvats wird von der Leber zu CO 2 und H 2 O oxidiert. Die Oxidationsenergie kann für die Synthese von ATP genutzt werden, das für Glukoneogenesereaktionen notwendig ist.

Bildung von Glukose aus Aminosäuren. Aminosäuren, die im Katabolismus in Pyruvat oder Metaboliten des Citratzyklus umgewandelt werden, können als potenzielle Vorläufer von Glucose und Glykogen angesehen werden und werden als glykogen bezeichnet. Beispielsweise ist Oxalacetat, das aus Asparaginsäure entsteht, ein Zwischenprodukt sowohl des Citratzyklus als auch der Gluconeogenese. Von allen Aminosäuren, die in die Leber gelangen, sind etwa 30 % Alanin. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Abbau von Muskelproteinen Aminosäuren entstehen, von denen viele direkt in Pyruvat oder zunächst in Oxalacetat und dann in Pyruvat umgewandelt werden. Letzteres wird zu Alanin und erhält von anderen Aminosäuren eine Aminogruppe. Alanin aus den Muskeln wird über das Blut zur Leber transportiert, wo es erneut in Pyruvat umgewandelt wird, das teilweise oxidiert und teilweise in die Glukosebildung einbezogen wird. Daher gibt es die folgende Abfolge von Ereignissen (Glucose-Alanin-Zyklus ) : Glukose in den Muskeln → Pyruvat in den Muskeln → Alanin in den Muskeln → Alanin in der Leber → Glukose in der Leber → Glukose in den Muskeln. Der gesamte Zyklus erhöht nicht die Glukosemenge in den Muskeln, löst jedoch die Probleme beim Transport von Aminstickstoff von den Muskeln zur Leber und beugt einer Laktatazidose vor.

Bildung von Glucose aus Glycerin . Glycerin entsteht durch Hydrolyse von Triacylglycerinen, hauptsächlich im Fettgewebe. Es kann nur von den Geweben genutzt werden, die das Enzym Glycerinkinase enthalten, zum Beispiel Leber, Nieren. Dieses ATP-abhängige Enzym katalysiert die Umwandlung von Glycerin in α-Glycerophosphat (Glycerin-3-phosphat). Wenn Glycerin-3-phosphat in die Gluconeogenese einbezogen wird, wird es durch die NAD-abhängige Dehydrogenase unter Bildung von Dihydroxyacetonphosphat dehydriert, das weiter in Glucose umgewandelt wird.

35.35 Eine Vorstellung vom Pentosephosphatweg der Glucoseumwandlungen. Oxidative Reaktionen (bis zur Stufe von Ribulose-5-Phosphat). Verteilung und zusammenfassende Ergebnisse dieses Weges (Pentosebildung, NADPH und Energetik)

Pentosephosphatweg , auch Hexomonophosphat-Shunt genannt, dient als alternativer Weg für die Oxidation von Glucose-6-phosphat. Der Pentosephosphatweg besteht aus 2 Phasen (Teilen) – oxidativ und nichtoxidativ.

In der oxidativen Phase wird Glucose-6-phosphat irreversibel zu Pentose-Ribulose-5-phosphat oxidiert und es entsteht reduziertes NADPH. In der nichtoxidativen Phase wird Ribulose-5-phosphat reversibel in Ribose-5-phosphat und glykolytische Metaboliten umgewandelt. Der Pentosephosphatweg versorgt Zellen mit Ribose für die Synthese von Purin- und Pyrimidinnukleotiden sowie dem hydrierten Coenzym NADPH, das in Reduktionsprozessen verwendet wird. Die Gesamtgleichung des Pentosephosphatwegs lautet wie folgt:

3 Glucose-6-phosphat + 6 NADP + → 3 CO 2 + 6 (NADPH + H + ) + 2 Fructose-6-phosphat + Glycerinaldehyd-3-phosphat.

Im Zytosol sind Enzyme des Pentosephosphatweges sowie Enzyme der Glykolyse lokalisiert. Der Pentosephosphatweg ist im Fettgewebe, in der Leber, in der Nebennierenrinde, in den roten Blutkörperchen, in der Brustdrüse während der Stillzeit und in den Hoden am aktivsten.

Im oxidativen Teil des Pentosephosphatweges Glucose-6-phosphat unterliegt einer oxidativen Decarboxylierung, was zur Bildung von Pentosen führt. Dieser Schritt umfasst zwei Dehydrierungsreaktionen.

Die erste Dehydrierungsreaktion – die Umwandlung von Glucose-6-phosphat zu Gluconolacton-6-phosphat – wird durch die NADP+-abhängige Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert und geht mit der Oxidation der Aldehydgruppe am ersten Kohlenstoffatom und der Bildung einher eines Moleküls des reduzierten Coenzyms NADPH. Anschließend wird Gluconolacton-6-phosphat unter Beteiligung des Enzyms Gluconolactonhydratase schnell in 6-Phosphogluconat umgewandelt. Das Enzym 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase katalysiert die zweite Dehydrierungsreaktion der oxidativen Einheit, bei der auch eine Decarboxylierung stattfindet. Dabei verkürzt sich die Kohlenstoffkette um ein Kohlenstoffatom, es entstehen Ribulose-5-phosphat und ein zweites Molekül hydriertes NADPH. Reduziertes NADPH hemmt das erste Enzym des oxidativen Schritts des Pentosephosphatwegs – Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase. Die Umwandlung von NADPH in den oxidierten Zustand NADP+ führt zu einer verminderten Enzymhemmung. In diesem Fall erhöht sich die Geschwindigkeit der entsprechenden Reaktion und es wird mehr NADPH gebildet.

Zusammenfassende Gleichung der oxidativen Stufe Pentosephosphat Pfade können dargestellt werden als:

Glucose-6-phosphat + 2 NADP + + N 2 O → Ribulose-5-phosphat + 2 NADPH + H + + CO 2 .

Oxidative Reaktionen dienen als Hauptquelle für NADPH in Zellen. Hydrierte Coenzyme versorgen Biosyntheseprozesse und Redoxreaktionen, einschließlich des Schutzes der Zellen vor reaktiven Sauerstoffspezies, mit Wasserstoff.

Die oxidative Stufe der Pentosenbildung und die nichtoxidative Stufe (der Weg der Rückkehr von Pentosen zu Hexosen) bilden zusammen einen zyklischen Prozess. Dieser Prozess kann durch die allgemeine Gleichung beschrieben werden:

6 Glucose-6-phosphat + 12 NADP + + 2 N 2 O → 5 Glucose-6-phosphat + 12 NADPH +12 H + + 6 CO 2 .

Das bedeutet, dass aus 6 Molekülen Glucose 6 Moleküle Ribulose-5-phosphat (Pentose) und 6 Moleküle CO 2 entstehen. Enzyme der nichtoxidativen Phase wandeln 6 Moleküle Ribulose-5-phosphat in 5 Moleküle Glucose (Hexose) um. Wenn diese Reaktionen nacheinander durchgeführt werden, ist das einzige nützliche Produkt NADPH, das in der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs gebildet wird. Dieser Vorgang wird aufgerufen Pentosephosphatzyklus. Der Pentosephosphatzyklus ermöglicht es den Zellen, NADPH zu produzieren, das für die Fettsynthese notwendig ist, ohne dass sich Pentose ansammelt.

Die beim Abbau von Glukose freigesetzte Energie wird in die Energie eines hochenergetischen Wasserstoffspenders – NADPH – umgewandelt. Hydriertes NADPH dient als Wasserstoffquelle für die reduktive Synthese, und die Energie von NADPH wird umgewandelt und in neu synthetisierten Substanzen wie Fettsäuren gespeichert, während ihres Katabolismus freigesetzt und von Zellen genutzt.

Unter Glukoneogenese versteht man die Synthese von Glukose aus Nicht-Kohlenhydratprodukten. Solche Produkte oder Metaboliten sind vor allem Milch- und Brenztraubensäure, glykogene Aminosäuren, Glycerin und eine Reihe anderer Verbindungen. Mit anderen Worten: Die Vorläufer von Glucose bei der Gluconeogenese können Pyruvat oder jede Verbindung sein, die während des Katabolismus in Pyruvat oder eines der Zwischenprodukte des Tricarbonsäurezyklus umgewandelt wird.

Bei Wirbeltieren findet die Gluconeogenese am intensivsten in den Zellen der Leber und der Nieren (im Kortex) statt. Die meisten Schritte der Gluconeogenese beinhalten die Umkehrung der glykolytischen Reaktion. Nur 3 Reaktionen der Glykolyse (Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase) sind irreversibel, daher werden im Prozess der Gluconeogenese in 3 Stadien andere Enzyme verwendet.

Die Synthese von Phosphoenolpyruvat erfolgt in mehreren Stufen: 1) Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat. Pyruvat wird durch Pyruvatcarboxylase unter Beteiligung von ATP carboxyliert: Pyruvatcarboxylase, die diese Reaktion katalysiert, ist ein allosterisches mitochondriales Enzym. Acetyl-CoA ist als allosterischer Aktivator dieses Enzyms erforderlich.

Phosphoenolpyruvat, das aus Pyruvat entsteht, wird durch eine Reihe reversibler Glykolysereaktionen in Fructose-1,6-bisphosphat umgewandelt. Darauf folgt eine Phosphofructokinase-Reaktion, die irreversibel ist. Die Gluconeogenese umgeht diese Reaktion. Die Umwandlung von Fructose-1,6-bis-phosphat zu Fructose-6-phosphat wird durch eine spezifische Phosphatase katalysiert:

Regulierung der Gluconeogenese. Acetyl-CoA spielt die Rolle eines allosterischen Aktivators der Pyruvatcarboxylase. In Abwesenheit von Acetyl-CoA ist das Enzym nahezu vollständig inaktiv. Wenn sich mitochondriales Acetyl-CoA in der Zelle ansammelt, wird die Biosynthese von Glucose aus Pyruvat gefördert. Es ist bekannt, dass Acetyl-CoA gleichzeitig ein negativer Modulator des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes ist. Die Anreicherung von Acetyl-CoA verlangsamt die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat, was auch zur Aktivierung der Gluconeogenese beiträgt.

Ein anderer wichtiger Punkt bei der Regulierung der Gluconeogenese – einer Reaktion, die durch Fructose-1,6-Bisphosphatase katalysiert wird, ein Enzym, das durch AMP gehemmt wird. AMP hat die gegenteilige Wirkung auf die Phosphofructokinase, d. h. es ist für dieses Enzym ein allosterischer Aktivator. Bei niedrigen Konzentrationen von AMP und hohes Level ATP stimuliert die Gluconeogenese. Im Gegenteil, wenn das ATP/AMP-Verhältnis niedrig ist, wird in der Zelle ein Abbau von Glukose beobachtet. Gluconeogenese und Glykolyse werden wechselseitig reguliert, sodass die Aktivität des anderen Signalwegs zunimmt, wenn die Aktivität eines Signalwegs relativ verringert wird.

Fructose-2,6-bisphosphat ist ein Metabolit, der aus Fructose-6-phosphat gebildet wird und ausschließlich regulatorische Funktionen erfüllt. Die Bildung von Fructose-2,6-bisphosphat durch Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat wird durch ein bifunktionelles Enzym (BIF) katalysiert, das auch die Rückreaktion katalysiert. Bei der Phosphorylierungsreaktion von Fructose-6-phosphat mit ATP zeigt BIF Kinaseaktivität und bei der Dephosphorylierung des gebildeten Fructose-2,6-bisphosphats zeigt es Phosphataseaktivität. Dieser Umstand bestimmte den Namen des bifunktionellen Enzyms.

BIF-Kinase-Aktivität tritt auf, wenn das Enzym in seiner dephosphorylierten Form (BIF-OH) vorliegt. Die dephosphorylierte Form von BIF ist charakteristisch für die Zeit, in der der Insulin/Glukagon-Index hoch ist. In diesem Zeitraum steigt die Menge an Fructose-2,6-bisphosphat. Bei einem niedrigen Insulin/Glukagon-Index, der für eine längere Fastenperiode charakteristisch ist, wird BIF phosphoryliert und fungiert als Phosphatase. Die Folge ist eine Verringerung der Menge an Fructose-2,6-bisphosphat

Die Gluconeogenese kann auch indirekt reguliert werden. Das Glykolyseenzym Pyruvatkinase existiert in zwei Formen – L und M. Die Form L (aus dem Englischen Leber – Leber) kommt in Geweben vor, die zur Gluconeogenese fähig sind. Diese Form wird durch überschüssiges ATP und bestimmte Aminosäuren, insbesondere Alanin, gehemmt. Die M-Form (vom englischen Muscle – Muskeln) unterliegt einer solchen Regelung nicht. Bei ausreichender Energieversorgung der Zelle wird die L-Form der Pyruvatkinase gehemmt. Durch die Hemmung verlangsamt sich die Glykolyse und es werden günstige Bedingungen für die Gluconeogenese geschaffen.

Laktat, das in intensiv arbeitenden Muskeln oder in Zellen mit überwiegend anaerobem Glukoseabbau gebildet wird, gelangt ins Blut und dann in die Leber. In der Leber ist das NADH/NAD+-Verhältnis geringer als im kontrahierenden Muskel, daher verläuft die Laktatdehydrogenase-Reaktion in die entgegengesetzte Richtung, d. h. zur Bildung von Pyruvat aus Laktat. Als nächstes wird Pyruvat in die Glukoneogenese einbezogen, und die resultierende Glukose gelangt ins Blut und wird von der Skelettmuskulatur absorbiert. Diese Abfolge von Ereignissen wird als Glukose-Laktat-Zyklus oder Cori-Zyklus bezeichnet.

Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Wird im Prozess der oxidativen Decarboxylierung gebildet. Titel=" Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, das während des Prozesses der oxidativen Decarboxylierung gebildet wird" class="link_thumb"> 22 !} Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, das bei der oxidativen Decarboxylierung gebildet wird und einer weiteren Oxidation unterliegt unter Bildung von CO2 und H2O. Die vollständige Oxidation von Acetyl-CoA erfolgt im Tricarbonsäurezyklus (Krebs-Zyklus). Dieser Prozess sowie die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat finden in den Mitochondrien der Zellen statt Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Gebildet im Prozess der oxidativen Decarboxylierung "> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA entsteht unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, das im Prozess der oxidativen Decarboxylierung entsteht und unter Bildung von CO2 und H2O weiter oxidiert wird (Krebs-Zyklus). Dieser Prozess findet ebenso wie die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in den Mitochondrien der Zellen statt. Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems sogenannter Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Wird im Prozess der oxidativen Decarboxylierung gebildet. Titel="(!SPRACHE: Pyruvat + NAD+ + HS-CoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung von ein Multienzymsystem namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, das im Prozess der oxidativen Decarboxylierung entsteht"> title="Pyruvat + NAD+ + HS-KoA –> Acetyl-CoA + NADH + H+ + CO2 Die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA erfolgt unter Beteiligung eines Multienzymsystems namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, das während des Prozesses der oxidativen Decarboxylierung gebildet wird"> !}

E1 – Pyruvatdehydrogenase; E2 – Dihydrolipoylacetyltransferase; E3 – Dihydrolipoyldehydrogenase Coenzyme: TPP, Liponsäureamid, Coenzym A, FAD, NAD Prozessstufen

Der Krebs-Zyklus ist der allgemeine Endweg für die Oxidation von Acetylgruppen (in Form von Acetyl-CoA), in die während des Katabolismus die meisten organischen Moleküle umgewandelt werden, die die Rolle des Zellbrennstoffs spielen: Kohlenhydrate, Fettsäuren und Aminosäuren. Der Zyklus findet in der mitochondrialen Matrix statt und besteht aus acht aufeinanderfolgenden Reaktionen

Als Ergebnis der zweiten Reaktion wird die resultierende Zitronensäure dehydriert, um cis-Aconitsäure zu bilden, die durch Zugabe eines Wassermoleküls zu Isozitronensäure (Isocitrat) wird. Diese reversiblen Hydratations-Dehydratisierungsreaktionen werden durch das Enzym Aconitathydratase (Aconitase) katalysiert.

Die dritte Reaktion begrenzt die Geschwindigkeit des Krebszyklus. Isozitronensäure wird in Gegenwart der NAD-abhängigen Isocitratdehydrogenase dehydriert: NAD-abhängige Isocitratdehydrogenase ist ein allosterisches Enzym, das ADP als spezifischen Aktivator benötigt. Darüber hinaus benötigt das Enzym Mg2+- oder Mn2+-Ionen, um seine Aktivität zu entfalten.

Während der vierten Reaktion erfolgt die oxidative Decarboxylierung von α-Ketoglutarsäure zur Bildung der hochenergetischen Verbindung Succinyl-CoA. Der Mechanismus dieser Reaktion ähnelt dem der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex ähnelt in seiner Struktur dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. In beiden Fällen sind 5 Coenzyme an der Reaktion beteiligt: ​​TPP, Liponsäureamid, HS-CoA, FAD und NAD+:

Die fünfte Reaktion wird durch das Enzym Succinyl-CoA-Synthetase katalysiert. Bei dieser Reaktion wird Succinyl-CoA unter Beteiligung von GTP und anorganischem Phosphat in Bernsteinsäure (Succinat) umgewandelt. Gleichzeitig erfolgt die Bildung einer hochenergetischen Phosphatbindung von GTP aufgrund der hochenergetischen Thioesterbindung von Succinyl-CoA: ATP-Substratphosphorylierung

Als Ergebnis der sechsten Reaktion wird Succinat zu Fumarsäure dehydriert. Die Oxidation von Succinat wird durch die Succinatdehydrogenase katalysiert, in deren Molekül das Coenzym FAD fest (kovalent) an das Protein gebunden ist. Die Succinatdehydrogenase wiederum ist fest an die innere Mitochondrienmembran gebunden:

Die siebte Reaktion erfolgt unter dem Einfluss des Enzyms Fumarathydratase (Fumarase). Fumarsäure wird hydratisiert und das Reaktionsprodukt ist Apfelsäure (Malat). Zu beachten ist, dass Fumarathydratase stereospezifisch ist: Bei der Reaktion entsteht L-Äpfelsäure:

Ein NADH-Molekül (3 ATP-Moleküle) entsteht durch die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Wenn ein Molekül Glucose abgebaut wird, entstehen 2 Moleküle Pyruvat, und wenn sie zu 2 Molekülen Acetyl-CoA oxidiert werden und die anschließenden 2 Umdrehungen des Tricarbonsäurezyklus werden 30 ATP-Moleküle synthetisiert (daher die Oxidation von). Ein Pyruvatmolekül zu CO2 und H2O erzeugt 15 ATP-Moleküle. Zu dieser Menge müssen 2 Moleküle ATP, die während der aeroben Glykolyse gebildet werden, und 6 Moleküle ATP, synthetisiert durch die Oxidation von 2 Molekülen extramitochondrialem NADH, hinzugefügt werden, die durch die Oxidation von 2 Molekülen Glycerinaldehyd-3-phosphat in gebildet werden Dehydrogenase-Reaktion der Glykolyse. Folglich werden beim Abbau eines Glukosemoleküls im Gewebe 38 ATP-Moleküle synthetisiert. Es besteht kein Zweifel, dass der vollständige Abbau von Glukose energetisch gesehen länger dauert effizienter Prozess als die anaerobe Glykolyse.

Extramitochondriale NADH-Moleküle sind nicht in der Lage, durch die Membran in die Mitochondrien einzudringen. Die von ihnen abgegebenen Elektronen können jedoch mithilfe des sogenannten Glycerinphosphat-Shuttle-Mechanismus in die mitochondriale Kette einbezogen werden. Dabei können durch die vollständige Oxidation eines Glukosemoleküls 36 ATP-Moleküle gebildet werden Nur dieser Shuttle-Mechanismus Skelettmuskeln und im Gehirn werden reduzierte Äquivalente vom zytosolischen NADH + H+ auf die Mitochondrien übertragen.

In den Zellen der Leber, der Nieren und des Herzens funktioniert ein komplexeres Malat-Aspartat-Shuttlesystem. Die Wirkung dieses Shuttle-Mechanismus wird durch das Vorhandensein von Malatdehydrogenase und Aspartataminotransferase sowohl im Zytosol als auch in den Mitochondrien ermöglicht. Wenn der Malat-Aspartat-Mechanismus funktioniert, können durch die vollständige Oxidation eines Glucosemoleküls nicht 36, sondern 38 ATP-Moleküle gebildet werden

Die Entdeckung der direkten Oxidation von Kohlenhydraten oder des sogenannten Pentosephosphatzyklus gehört O. Warburg, F. Lipman, F. Dickens und V.A. Engelhard Bei Säugetieren ist die Aktivität des Pentosephosphatzyklus in der Leber, den Nebennieren, dem fötalen Gewebe und der Brustdrüse während der Laktation relativ hoch. Die Bedeutung dieses Weges im Stoffwechsel ist groß. Es liefert reduziertes NADPH, das für die Biosynthese von Fettsäuren, Cholesterin usw. notwendig ist. Durch den Pentosephosphatzyklus werden etwa 50 % des NADPH-Bedarfs des Körpers gedeckt. Das entstehende NADPH wird im Zytosol für reduktive Synthesen verwendet und ist nicht an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt, die in Mitochondrien stattfindet. Der Pentosephosphatzyklus liefert Pentosephosphate für die Synthese Nukleinsäuren und viele Coenzyme.

Der Pentosephosphatzyklus beginnt mit der Oxidation von Glucose-6-phosphat und der anschließenden oxidativen Decarboxylierung des Produkts (wodurch das erste Kohlenstoffatom aus dem Hexosephosphat entfernt wird). Dies ist die erste, sogenannte oxidative Stufe des Pentosephosphatzyklus.

Die erste Reaktion ist die Dehydrierung von Glucose-6-phosphat unter Beteiligung des Enzyms Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und des Coenzyms NADP+. Das bei der Reaktion gebildete 6-Phosphoglucono-δ-lacton ist eine instabile Verbindung und hohe Geschwindigkeit entweder spontan oder mit Hilfe des Enzyms 6-Phosphogluconolactonase zu 6-Phosphogluconsäure (6-Phosphogluconat) und NADPH hydrolysiert:

In der zweiten, oxidativen Reaktion, katalysiert durch die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase (Decarboxylierung), wird 6-Phosphogluconat dehydriert und decarboxyliert. Dadurch entsteht phosphorylierte Ketopentose – D-Ribulose-5-phosphat und 1 weiteres NADPH-Molekül:

Unter Einwirkung der entsprechenden Epimerase kann aus Ribulose-5-phosphat eine weitere Phosphopentose, Xylulose-5-phosphat, gebildet werden. Darüber hinaus wird Ribulose-5-Phosphat unter dem Einfluss einer speziellen Isomerase leicht in Ribose-5-Phosphat umgewandelt. Zwischen diesen Formen von Pentosephosphaten stellt sich ein mobiler Gleichgewichtszustand ein:

Nichtoxidatives Stadium (Stadium) des Pentosephosphatzyklus. Die Reaktionen dieser Stufe sind nicht mit der Verwendung von Sauerstoff verbunden und finden unter anaeroben Bedingungen statt. Dabei entstehen Stoffe, die für die erste Stufe der Glykolyse charakteristisch sind (Fructose-6-phosphat, Fructose-1,6-bisphosphat, Phosphotriosen) und andere, die für den Pentosephosphatweg spezifisch sind (Sedoheptulose-7-phosphat, Pentose). -5-Phosphate, Erythrose-Phosphat).

Die Hauptreaktionen der nichtoxidativen Stufe des Pentosephosphatzyklus sind Transketolase und Transaldolase. Diese Reaktionen katalysieren die Umwandlung isomerer Pentose-5-phosphate. Das Coenzym in der Transketolase-Reaktion ist TPP, das die Rolle eines Zwischenträgers der Glykol-Aldehyd-Gruppe von Xylulose-5-Phosphat zu Ribose-5-Phosphat spielt. Dadurch entstehen die Sieben-Kohlenstoff-Monosaccharide Sedoheptulose-7-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat:

Das Wernicke-Kosakoff-Syndrom (eine neuropsychiatrische Erkrankung) geht mit einer signifikanten (zehnfachen) Abnahme der Fähigkeit der Transketolase einher, das TPP-Coenzym zu binden. Ein Defekt im Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Gen in Erythrozyten geht mit einer hämolytischen Anämie einher. Grund ist ein Mangel an NADPH und damit einhergehend ein Mangel an reduziertem Glutathion (GSH), was zu einer verstärkten Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und einer Hämolyse der roten Blutkörperchen führt

Gluconeogenese

Unter Glukoneogenese versteht man die Synthese von Glukose aus Vorläufern, die keine Kohlenhydrate sind. Die Glukoneogenese ist im Gehirn, in den Hoden, in den roten Blutkörperchen und im Nierenmark erforderlich, wo Glukose die einzige Energiequelle ist. Während des Fastens kann das Gehirn jedoch Energie aus Ketonkörpern gewinnen, die in Acetyl-CoA umgewandelt werden.

Zunächst wird Pyruvat unter dem Einfluss der Pyruvatcarboxylase und unter Beteiligung von CO2 und ATP zu Oxalacetat (OA) carboxyliert.

Pyruvatcarboxylase kommt in Mitochondrien vor. Die Mitochondrienmembran ist für den entstehenden HECHT undurchlässig. Letzteres wird hier in den Mitochondrien zu Malat wiederhergestellt.

Die Reaktion erfolgt unter Beteiligung der mitochondrialen NAD-abhängigen Malatdehydrogenase. In Mitochondrien ist das NADH2/NAD+-Verhältnis relativ hoch, und daher wird intramitochondriales AP leicht zu Malat reduziert, das das Mitochondrium leicht verlässt und durch die Mitochondrienmembran gelangt. Im Zytoplasma ist das NADH2/NAD+-Verhältnis sehr gering und Malat wird unter Beteiligung der NAD-abhängigen zytoplasmatischen Malatdehydrogenase erneut zu PAA oxidiert.

Substrate der Gluconeogenese

Laktat entsteht bei der anaeroben Glykolyse in roten Blutkörperchen und Skelettmuskelzellen. Die Umwandlung von Laktat in Glukose erfolgt als Ergebnis des Cori-Zyklus. Bedeutung – Unter Beteiligung des Cori-Zyklus werden die Endprodukte der Glykolyse aus roten Blutkörperchen und Skelettmuskeln zur Leber transportiert und für die Glukosesynthese verwendet.

Alanin ist die wichtigste glucogene Aminosäure. Die Umwandlung von Alanin in Glucose erfolgt im Alaninzyklus. In der Skelettmuskulatur kann Pyruvat, das bei der Glykolyse entsteht, in Alanin umgewandelt werden. Das bei diesen Reaktionen entstehende Alanin ist die Transportform der NH2-Gruppen vom Muskel zur Leber, wo sie schließlich in Harnstoffmoleküle eingebaut und ausgeschieden werden. Wenn Alanin in Hepatozyten gelangt, kann es in Pyruvat umgewandelt und als Substrat bei der Gluconeogenese verwendet werden. Bedeutung – Ammoniak ist eine äußerst giftige Verbindung und der größte Teil davon wird in Leberzellen neutralisiert (im Ornithinzyklus wird es an ein Harnstoffmolekül gebunden und dann ausgeschieden). Alanin dient als Transportform von Ammoniak zur Leber, wo es neutralisiert wird.

Andere Aminosäuren. Nur zwei Aminosäuren (Leucin und Lysin) können im Prozess der Gluconeogenese nicht verwendet werden. Dabei handelt es sich um streng ketogene Aminosäuren. Alle anderen glucogenen Aminosäuren produzieren während ihres Stoffwechsels Zwischenprodukte der Glykolyse oder des Krebszyklus.

Glycerin. Es entsteht beim Abbau von Triacylglycerinen in Fettgewebszellen, gelangt ins Blut und dann in die Leber, wo es unter der Wirkung von zwei Enzymen (Glycerinkinase und Alpha-Glycerinphosphat-Dehydrogenase) in Phosphodioxyaceton (PDA) umgewandelt wird. ein Zwischenprodukt der Glykolyse.

Propionyl-CoA. Beta-Oxidation von FAs ungerade Zahl Kohlenstoffatomen und der Metabolismus einiger Aminosäuren (Valin, Isoleucin, Tryptophan, Methionin) geht mit der Bildung von Propionyl-CoA einher, das unter der Wirkung von zwei Enzymen in Succinyl-CoA (ein Metabolit des Krebszyklus) umgewandelt werden kann:

Propionyl-CoA-Carboxylase (Biotin wird als Coenzym verwendet – siehe Vitamin H).

Methylmalonyl-CoA-Mutase (Methylcobalamin als Coenzym – siehe Vitamin B12).

Zusammenfassende Gleichung:

2PVK + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 2H+ + 6H2O = Glucose + 4ADP + 2GDP + 6P + 2NAD+

Die Synthese eines Glucosemoleküls aus zwei Pyruvatmolekülen erfordert 4ATP und 2GTP. Der Prozess der FA-Oxidation liefert Energie für die Gluconeogenese. Für die Reduktionsschritte sind zwei Moleküle NADH erforderlich.

Pyruvatcarboxylase, die die erste Reaktion katalysiert, verfügt über einen allosterischen Aktivator – Acetyl-CoA.

Regulierung der Gluconeogenese

1).Es wird nach dem Verzehr einer kohlenhydratreichen Nahrung (unter dem Einfluss von Insulin) unterdrückt und bei Fasten, Stress und Diabetes (unter dem Einfluss von Glukokortikoiden) induziert.

2).Der Prozess der FA-Oxidation stimuliert die Gluconeogenese. Die Stimulation erfolgt durch einen Anstieg des Acetyl-CoA-Spiegels.

3).Reziproke Beziehung:

AcetylCoA hemmt PyruvatDH und aktiviert Pyruvatcarboxylase.

ATP aktiviert die Fructose-Diphosphatase, AMP hemmt sie.

Fructose-2,6-bisphosphat aktiviert die Phosphofructokinase-1 und hemmt die Fructose-Diphosphatase-1.

Biologische Rolle der Gluconeogenese.

1. Sicherstellung einer konstanten Glukosekonzentration im Blut während des Kohlenhydratmangels.

2. Umverteilung der Stoffwechsellast zwischen den Organen. Die Leber übernimmt einen Teil der Muskellast.

Zwischen der Glykolyse, die während ihrer Zeit im Muskelgewebe intensiv auftritt aktive Arbeit und Gluconeogenese, die insbesondere für Lebergewebe charakteristisch ist, besteht ein enger Zusammenhang. Bei maximaler Muskelaktivität entsteht durch die erhöhte Glykolyse überschüssige Milchsäure, die in der Leber ins Blut diffundiert und zu einem erheblichen Teil in Glukose umgewandelt wird (Glukoneogenese). Diese Glukose kann dann als Energiesubstrat verwendet werden, das für die Aktivität des Muskelgewebes notwendig ist. Dieser Zyklus im Kohlenhydratstoffwechsel wird Cori-Zyklus (Glukose-Laktat-Zyklus) genannt.

Zwischen der Glykolyse, die im aktiven Muskelgewebe intensiv auftritt

7. Chemie der Reaktionen des Tricarbonsäurezyklus. Irreversible Reaktionen des Zyklus. Substratphosphorylierung während des Zyklus. Zyklusregulierung .

Der TCA-Zyklus kann als ein von der Zelle erzeugter Mechanismus betrachtet werden, der einen doppelten Zweck erfüllt. Seine Hauptfunktion besteht darin, dass es ein perfekter zellulärer „Kessel“ ist, in dem die vollständige Oxidation des darin enthaltenen organischen Substrats und die Eliminierung von Wasserstoff durchgeführt werden. Eine weitere Funktion des Kreislaufs besteht darin, die Zelle mit einer Reihe von Vorläufern für Biosyntheseprozesse zu versorgen. Typischerweise ist der TCA-Zyklus ein weiterer „Überbau“ der anaeroben Energiemechanismen der Zelle. Das Ausgangssubstrat des TCA-Zyklus ist Acetyl-CoA („aktivierte Essigsäure“), das in Aerobiern aus Pyruvat in einer Reaktion des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes gebildet wird:

CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ geht hinein

CH3-CO~S-CoA + NAD*H2 + CO2

Der TCA-Zyklus selbst (Abb. 92) beginnt mit der Kondensation von Acetyl-CoA mit einem Molekül Oxalessigsäure, katalysiert durch Citrat-Synthase. Die Reaktionsprodukte sind Zitronensäure und freies Coenzym A. Zitronensäure wird durch das Enzym Aconitase nacheinander in cis-Aconitsäure und Isocitronensäure umgewandelt. Letzteres wird in einer durch Isocitratdehydrogenase katalysierten Reaktion in Alpha-Ketoglutarsäure umgewandelt. In der ersten Stufe der Reaktion findet die Dehydrierung von Isocitronensäure statt, was zur Bildung von Oxalbernsteinsäure und NAD*H2 führt. Im zweiten Schritt erfolgt eine Decarboxylierung der vermutlich noch an das Enzym gebundenen Oxalbernsteinsäure. Die Reaktionsprodukte sind Alpha-Ketoglutarsäure, die vom Enzym freigesetzt wird, und CO2.

Alpha-Ketoglutarsäure unterliegt einer weiteren oxidativen Decarboxylierung, die durch den Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert wird, was zur Bildung von Succinyl-CoA führt. Diese Reaktion ist die einzige irreversible Reaktion der zehn Komponenten des TCA-Zyklus. Eines der Reaktionsprodukte, Succinyl-CoA, ist eine Verbindung, die eine hochenergetische Thioetherbindung enthält.

Der nächste Schritt ist die durch Succinylthiokinase katalysierte Bildung von Bernsteinsäure aus Succinyl-CoA, wodurch die beim Aufbrechen der Thioesterbindung freigesetzte Energie in der Phosphatbindung von GTP gespeichert wird. GTP gibt dann seine Phosphatgruppe an ein ADP-Molekül ab, was zur Bildung von ATP führt. Folglich findet in dieser Phase des TCA-Zyklus die Substratphosphorylierung statt.

Bernsteinsäure wird durch das Enzym Succinatdehydrogenase zu Fumarsäure oxidiert. Anschließend wird Fumarsäure durch Fumarase hydratisiert, wodurch Apfelsäure entsteht, die einer Dehydrierung unterliegt, was zur Bildung von PKA führt. Die Reaktion wird durch die NAD-abhängige Malatdehydrogenase katalysiert. Diese Reaktion vervollständigt den TCA-Zyklus, da das Akzeptormolekül (ASA) erneut regeneriert wird und die nächste Runde des Zyklus ausgelöst wird. Da es jedoch zu einem ständigen Abfluss aus dem Kreislauf der Biosynthese von Zwischenmetaboliten kommt, was zu einer Verringerung des AP-Spiegels führt, besteht die Notwendigkeit seiner zusätzlichen Synthese. Dies wird sowohl bei den Carboxylierungsreaktionen von Pyruvat oder Phosphoenolpyruvat (Tabelle 24) als auch durch eine Abfolge von zwei Reaktionen erreicht, die als Glyoxylat-Shunt bezeichnet werden (Abb. 92). Im ersten Fall wird Isocitronensäure unter Einwirkung der Isocitratlyase in Bernstein- und Glyoxylsäure gespalten. In der zweiten, durch Malatsynthetase katalysierten Reaktion wird Glyoxylsäure mit Acetyl-CoA zu Apfelsäure kondensiert, die weiter in PCA umgewandelt wird. Als Ergebnis zweier neuer Reaktionen wird aus zwei C2-Resten eine C4-Säure synthetisiert. Der Glyoxylat-Shunt funktioniert nicht, wenn er auf Substraten gezüchtet wird, deren Abbau zur Bildung von Brenztraubensäure führt. Es wird aktiviert, wenn Organismen auf C2-Verbindungen gezüchtet werden.

Der im TFC verarbeitete Energie-„Brennstoff“ besteht nicht nur aus Kohlenhydraten, sondern auch aus Kohlenhydraten Fettsäure(nach vorläufigem Abbau zu Acetyl-CoA) sowie viele Aminosäuren (nach Entfernung der Aminogruppe bei Desaminierungs- oder Transaminierungsreaktionen). Als Ergebnis einer Umdrehung des Zyklus finden 2 Decarboxylierungen, 4 Dehydrierungen und 1 Phosphorylierung statt. Das Ergebnis von 2 Decarboxylierungen ist die Entfernung von 2 Kohlenstoffatomen (2 CO2-Moleküle) aus dem Kreislauf, d. h. genau so viel, wie es in Form einer Acetylgruppe vorkam. Als Ergebnis von 4 Dehydrierungen entstehen 3 Moleküle NAD*H2 und 1 Molekül FAD*H2. Wie Sie sehen, landet bei den oben beschriebenen Umwandlungen der gesamte Wasserstoff auf bestimmten Trägern und die Aufgabe besteht nun darin, ihn über andere Träger auf molekularen Sauerstoff zu übertragen.

Wie ist dies in Eubakterien dargestellt? Wir stoßen auf bestimmte Sequenzen enzymatischer Reaktionen, die denen ähneln, die im TCA-Zyklus in Eubakterien stattfinden unterschiedliche Bühnen Evolutionäre entwicklung. Einige Reaktionen im Kreislauf laufen unter anaeroben Bedingungen in Bakterien ab, die durch Fermentationsprozesse Energie gewinnen.

In Propionbakterien enthält die Abfolge von Fermentationsreaktionen, die zur Synthese von Propionsäure führen, „eingebaute“ Reaktionen von Bernsteinsäure zu ACA, die denen des TCA-Zyklus ähneln, jedoch in die entgegengesetzte Richtung verlaufen und in zwei Stufen mit dem Zyklus verbunden sind Reduzierung der Reaktionssubstrate (Abb. 54). Bei der Propionsäuregärung dienen diese Reaktionen der Aufnahme von Wasserstoff und sind eine der Möglichkeiten zur Lösung des Donor-Akzeptor-Problems unter anaeroben Bedingungen.

Bei anderen Eubakterien stoßen wir auf eine vollständiger ausgebildete Reaktionsfolge, die dem TCA-Zyklus ähnelt, jedoch noch nicht zu einem vollständigen Zyklus abgeschlossen ist. Meistens fehlt der enzymatische Schritt der Umwandlung von Alpha-Ketoglutarsäure in Bernsteinsäure, wodurch der TCA-Zyklus „unterbrochen“ zu sein scheint (Abb. 85). Ein „unterbrochener“ TCA-Zyklus findet sich bei Bakterien, die eine sauerstofffreie Photosynthese durchführen, bei Cyanobakterien, Chemoautotrophen und einigen Chemoheterotrophen. Wahrscheinlich kann der TCA-Zyklus in dieser Form nicht im System der Energieerzeugungsmechanismen der Zelle funktionieren. In diesem Fall ist seine Hauptfunktion die Biosynthese. Die Tatsache, dass ein „unterbrochener“ TCA-Zyklus in verschiedenen weit voneinander entfernten physiologischen Gruppen von Eubakterien vorkommt, weist auf komplexe Evolutionspfade dieses Mechanismus hin. Diese Frage bedarf einer Erklärung.

Zyklusregulierung

Der Krebszyklus wird „durch einen negativen Rückkopplungsmechanismus“ reguliert, sofern es einen gibt große Menge Substrate (Acetyl-CoA, Oxalacetat) arbeitet der Zyklus aktiv und wird bei einem Überschuss an Reaktionsprodukten (NADH, ATP) gehemmt (Guldberg-Waage-Prinzip). Die Regulierung erfolgt ebenfalls mit Hilfe von Hormonen; die Hauptquelle von Acetyl-CoA ist Glukose, daher tragen Hormone, die den aeroben Abbau von Glukose fördern, zum Funktionieren des Krebszyklus bei. Diese Hormone sind: Insulin und Adrenalin. Glucagon stimuliert die Glukosesynthese und hemmt die Reaktionen des Krebszyklus.

In der Regel wird die Arbeit des Krebs-Zyklus nicht durch anaplerotische Reaktionen unterbrochen, die den Zyklus mit Substraten auffüllen: Pyruvat + CO2 + ATP = Oxalacetat (Substrat des Krebs-Zyklus) + ADP + Fn.