Gluconeogenese

Die Gluconeogenese (latinisierte Schreibung der Glukoneogenese, eines Kompositums aus altgriechisch γλυκύς glykys „süß“, νέος neos „neu“ und γένεσις genesis „Erzeugung“) ist eine Neusynthese von D-Glucose aus organischen Nicht-Kohlenhydratvorstufen wie Pyruvat, Oxalacetat und Dihydroxyacetonphosphat. Dieser Stoffwechselweg ist ubiquitär verbreitet. Pflanzen können durch den Glyoxylatzyklus Glucose aber auch aus Acetyl-CoA, Bakterien zusätzlich auch aus dem Ethylmalonyl-CoA-Weg herstellen.

Notwendigkeit der Gluconeogenese beim Menschen

Der tägliche Glucosebedarf eines erwachsenen Menschen beträgt im Ruhezustand ungefähr 200 g, wobei davon allein 75 % vom Gehirn, ein Großteil des Restes von Erythrozyten genutzt werden. Die Menge an Glycogen, die im Körper gespeichert ist, beträgt etwa 400 bis 450 g. Davon sind ca. zwei Drittel in der Muskulatur gespeichert und ca. ein Drittel in der Leber. Die verfügbare Menge an Glucose im Blut beträgt etwa 5 mM, was ca. 90 mg pro 100 ml entspricht.

Die Erythrozyten sind vollständig auf die Zufuhr von Glucose angewiesen. Daher müssen diese Zellen ihre gesamte Energie aus der Glykolyse beziehen. Das Gehirn deckt seinen enormen Bedarf an schnell verfügbarer Energie hauptsächlich ebenfalls durch Glucose. Vor allem deshalb setzt bereits bei relativ kurzfristigen Hungerperioden die Synthese von Glucose ein, welche vor allem in der Leber und in der Nierenrinde und weniger im Gehirn, Skelett- und Herzmuskel stattfindet. Durch den Aufbau von Glucose in der Gluconeogenese sinkt der Glucosespiegel nie unter 3,5 mM (= 60 mg/dl). Pro Tag können etwa 180 bis 200 g Glucose gebildet werden.

Ablauf der Gluconeogenese

Zelluläre Lokalisation

Der Ablauf der Gluconeogenese ist bei Eukaryoten auf drei Kompartimente einer Zelle verteilt. Der überwiegende Teil findet im Cytosol statt. Ein Reaktionsschritt erfolgt im Mitochondrium, ein weiterer im glatten endoplasmatischen Retikulum, da das dafür jeweils notwendige Enzym (Pyruvat-Carboxylase bzw. Glucose-6-Phosphatase) nur hier vorhanden ist.

Reaktionsschritte

Die Ausgangsstoffe der Gluconeogenese werden entweder in Form von Pyruvat oder Oxalacetat, als Produkte des Aminosäureabbaus und der Milchsäuregärung (aus Lactat), oder in Form von Dihydroxyacetonphosphat, als Derivat des Glycerins aus dem Fettabbau, in den Stoffwechselweg eingeschleust. In Bakterien kann auch Propionat als Ausgangssubstanz der Gluconeogenese fungieren.^[1] Dieses wird über Propionyl-CoA zu Succinyl-CoA umgesetzt, aus dem im Zuge des Citratzyklus Oxalacetat entsteht.

Im Folgenden ist der Aufbau von Glucose aus L-Lactat dargestellt:

	NAD+ NADH + H+ Lactat- Dehydrogenase		HCO3− ATP ADP + Pi Pyruvat- Carboxylase		GTP GDP +CO2 PEPCK
L-Lactat		Pyruvat		Oxalacetat		Phosphoenolpyruvat

	+H2O Enolase		Phospho- glycerat- Mutase		ATP ADP Phospho- glycerat- kinase
Phosphoenolpyruvat		D-2-Phosphoglycerat		D-3-Phosphoglycerat		D-1,3-Bisphosphoglycerat

	NADH NAD+ +H+ + Pi Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase		Triose- phosphat- Isomerase		Fructose-1,6-bisphosphat-Aldolase
D-1,3-Bisphosphoglycerat		D-Glycerin- aldehyd- 3-phosphat		Dihydroxy- aceton- phosphat		β-D-Fructose-1,6-bisphosphat

	H2O Pi Fructose-1,6-bisphosphatase		Glucose-6-phosphat-Isomerase		H2O Pi Glucose-6-Phosphatase
β-D-Fructose-1,6-bisphosphat		β-D-Fructose-6-phosphat		α-D-Glucose-6-phosphat		α-D-Glucose

Die Gluconeogenese entspricht nur teilweise der Umkehrreaktion der Glykolyse. Hierbei gibt es aber drei Reaktionen, bei denen das chemische Gleichgewicht fast ausschließlich auf der Seite der Reaktionsprodukte liegt. Diese Schritte, alle von Kinasen katalysiert, sind:

• die Umwandlung von Glucose in Glucose-6-phosphat,
• von Fructose-6-phosphat in Fructose-1,6-bisphosphat und
• die Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat.

Um diese Reaktionen umzukehren, müsste die Zelle in der Lage sein, extreme Konzentrationsverhältnisse aufzubauen. Daher sind diese drei Schritte in der Glykolyse de facto irreversibel und werden in der Gluconeogenese in umgekehrter Reihenfolge wie folgt umgangen:

• die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat unter ATP-Verbrauch (Pyruvat-Carboxylase) und die anschließende phosphorylierende Decarboxylierung von Oxalacetat zu PEP unter GTP-Verbrauch (Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase);
• die Fructose-1,6-bisphosphatase katalysiert die Reaktion von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat;
• Glucose-6-phosphat wird von der Glucose-6-Phosphatase zu Glucose umgesetzt (in der Glykolyse katalysiert eine Hexokinase bzw. die Glucokinase (Hexokinase IV) die Rückreaktion).

Die anderen Umwandlungsprozesse befinden sich im Gleichgewicht, weshalb diese auch bei der Gluconeogenese eine Rolle spielen. Die für die Glykolyse typischen Reaktionen sind:

Ein weiterer wichtiger Unterschied zur Glykolyse ist der Reaktionsort. Während diese ausschließlich im Cytosol abläuft, ist die Gluconeogenese auf drei Kompartimente verteilt. Die Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat erfolgt im Lumen des Mitochondriums. Oxalacetat kann die innere Membran des Mitochondriums aber nicht frei passieren und muss erst umgewandelt werden. Dafür stehen zwei Wege zur Verfügung. Entweder wird mitochondriales Oxalacetat in PEP durch eine mitochondriale PEP-Carboxykinase überführt. PEP verlässt dann das Mitochondrium durch ein spezielles Anionen-Shuttlesystem.^[2] Im Cytoplasma wird PEP in Folge der Gluconeogenese in Glucose umgesetzt.

Mögliches Modell des Glucose-6-phosphatsystems: Am Ende der Gluconeogenese wird cytosolisches Glucose-6-phsophat (Glc-6-P) durch die Glucose-6-phosphat-Translokase (G6PT = T1) ins ER gebracht. Dort wird es durch eine Glucose-6-Phosphatase (G6PT) dephosphoryliert. Anorgansiches Phosphat (P_i) verlässt das ER durch einen Transporter (T2). Glucose (Glc) selbst wird durch GLUT7 (=T3) und GLUT2 aus der Zelle gebracht.

Bei Hunger wird ein zweiter Weg für den Transport eingeschlagen. In der Leber wird L-Alanin zu Pyruvat desaminiert und dient damit als Quelle für Oxalacetat. Im Hungerzustand ist die Menge an Reduktionsäquivalente in Form von NADH im Cytosol niedrig und im Mitochondrium hoch.^[3] Für die Gluconeogenese wird jedoch NADH im Cytosol benötigt. Um sowohl NADH wie auch Oxalacetat aus dem Mitochondrium in das Cytosol zu transportieren, wird das sogenannte Malat-Aspartat-Shuttle-System verwendet. Hierbei wird das im Mitochondrium generierte Oxalacetat durch eine mitochondriale Malatdehydrogenase zu L-Malat reduziert und kann dann durch die Innere Membran transloziert werden. Für den Transport steht neben dem Malat-Aspartat-Shuttle zusätzlich der mitochondriale Dicarboxylat-Carrier zur Verfügung. Im Cytosol oxidiert eine cytosolische Malatdehydrogenase Malat zu Oxalacetat, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird und in der Gluconeogenese eingesetzt wird.

Auch der letzte Reaktionsschritt der Gluconeogenese findet nicht im Cytosol statt, sondern im Lumen des endoplasmatischen Retikulums (ER). Den Transport ins ER und die Hydrolyse von Glucose-6-phosphat besorgt ein glucosespezifischer Membran-Enzymkomplex aus Glucose-6-phosphat-Translokase und Glucose-6-Phosphatase (vergleiche auch Abbildung rechts).

Pyruvat-Carboxylase

Strukturformel von Biotin

Die Pyruvat-Carboxylase ist nur mit ihrer prosthetischen Gruppe aktiv: Biotin. Biotin fungiert dabei als mobiler Carrier von aktiviertem Kohlenstoffdioxid. Das Biotin ist über ihre Carboxygruppe an die ε-Aminogruppe eines spezifischen Lysinrestes gebunden. Dadurch entsteht ein flexibler Arm, wodurch die Biotingruppe von einem aktiven Zentrum zum zweiten „schwingen“ kann. Die Carboxylierung erfolgt in zwei Schritten:

$ \mathrm {{\text{1.) }}Biotin{\text{-}}Enzym+ATP+HCO_{3}^{-}\;{\overrightarrow {\longleftarrow }}\;CO_{2}\sim Biotin{\text{-}}Enzym+ADP+P_{i}} $ $ \mathrm {{\text{2.) }}CO_{2}\sim Biotin{\text{-}}Enzym+Pyruvat{\overrightarrow {\longleftarrow }}\;Biotin{\text{-}}Enzym+Oxalacetat} $

$ \mathrm {\quad \quad _{\Delta G'^{o}=-19,7\;kJ/mol}} $.

Die erste Teilreaktion ist abhängig von der Anwesenheit von Acetyl-CoA, ohne dieses ist keine Carboxylierung von Biotin möglich. Diese Regulation ist eine Form von Allosterie, da ein hoher Acetyl-CoA-Spiegel ein Zeichen für mehr Bedarf an Oxalacetat im Citratzyklus ist. Acetyl-CoA ist ein starker und der einzige Effektor des Enzyms.^[4] Oxalacetat kann entweder für die Glucogenese verwendet werden oder fließt in den Citratzyklus ein. Damit ist die katalysierte Reaktion der Pyruvat-Carboxylase ein Beispiel einer anaplerotischen Reaktion. Bei ATP-Überschuss wird das Oxalacetat in der Gluconeogenese verbraucht, wodurch dieses nicht angereichert wird. Der zweite Reaktionsschritt der Pyruvat-Carboxylase ist Acetyl-CoA unabhängig.

Vergleich Gluconeogenese und Glykolyse

Energiebilanz im Vergleich zur Umkehrung der Glykolyse

Für die Biosynthese von einem Molekül Glucose werden ausgehend vom Pyruvat vier Moleküle ATP und je zwei Moleküle GTP und NADH benötigt.

$ \mathrm {2\ Pyruvat+4\ ATP+2\ GTP+2\ NADH+4\ H_{2}O} $ $ \mathrm {\rightarrow Glucose+4\ ADP+2\ GDP+6\ P_{i}+2\ NAD^{+}+2\ H^{+}} \quad \quad _{\Delta G'^{o}=-38kJ/mol} $^[5]

Durch die unten aufgeführte Bilanz wird deutlich, dass die obere Reaktion bevorzugt ablaufen wird, da eine direkte Umkehrung der Glykolyse eine thermodynamisch ungünstige Reaktion darstellt:

$ \mathrm {2\ Pyruvat+2\ ATP+2\ NADH+2\ H_{2}O\rightarrow Glucose+2\ ADP+2\ P_{i}+2\ NAD^{+}\quad \quad \quad \;\;\,_{\Delta G'^{o}=+84kJ/mol}} $

Damit sind vier ATP-Äquivalente (2 GTP + 2 ATP) nötig, damit die Gluconeogenese zum Aufbau von Glucose ablaufen kann.

Gluconeogenese und Glykolyse – reziproke Regulation

Die Gluconeogenese und die Glykolyse teilen sich mehrere enzymatische Reaktionen, sind aber zwei völlig entgegenlaufende Stoffwechselwege. Daher besteht die Notwendigkeit einer Regulation. Sie findet an zwei Stellen statt:

1. bei den Reaktionen vom Pyruvat zum PEP und
2. bei der Umsetzung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat.

Zur ersten Reaktion: die in der Glykolyse vorkommende Umwandlung von PEP in Pyruvat wird von der Pyruvatkinase katalysiert. Die Aktivität dieses Enzyms wird durch Fructose-1,6-bisphosphat erhöht und durch ATP und Alanin inhibiert. Die Enzyme der Gluconeogenese (Pyruvatcarboxylase und PEP-carboxykinase) werden durch Acetyl-CoA aktiviert und durch ADP gehemmt. Da ATP durch Hydrolyse in ADP umgewandelt wird, kann man bei dieser Art der Regulation zweier gegenläufiger Reaktionen von reziproker Regulation sprechen. Ein weiteres Beispiel bietet hierfür die unter 2. aufgeführte Reaktion. Die bei der Glykolyse beteiligte Phosphofructokinase wird durch Fructose-2,6-bisphosphat und Adenosinmonophosphat (AMP) stimuliert, jedoch unter anderem durch Citrat inhibiert. Reziprok dazu findet die Regulation der an der Gluconeogenese beteiligten Fructose-1,6-bisphosphatase statt (durch Citrat aktiviert und durch Fructose-2,6-bisphosphat und AMP gehemmt).

Literatur

• Geoffrey Zubay: Biochemie. Mcgraw-Hill Professional; 4. Auflage 1999; ISBN 3-89028-701-8
• Donald Voet und Judith G. Voet: Biochemie. Wiley-VCH 1994; ISBN 3-527-29249-7
• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6 Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007; ISBN 978-3-8274-1800-5
• H. Robert Horton, Laurence A. Moran, K. Gray Scrimgeour, Marc D. Perry, J. David Rawn und Carsten Biele (Übersetzer): Biochemie. Pearson Studium; 4. aktualisierte Auflage 2008; ISBN 978-3-8273-7312-0
• Reginald Garrett und Charles M. Grisham: Biochemistry. (International Student Edition). Cengage Learning Services; 4. Auflage 2009; ISBN 978-0-495-11464-2
• Nelson, David L., Cox, Michael M., Lehninger, Albert L. [Begr.]: Lehninger Biochemie. Springer, Berlin; 4., vollst. überarb. u. erw. Auflage 2009; ISBN 978-3-540-68637-8

Einzelnachweise

Weblinks

• Wikibooks: Gluconeogenese – Übersicht – Lern- und Lehrmaterialien

Siehe auch

• Cori-Zyklus