Monosaccharide, unter besonderer Berücksichtigung von Glucose und ihrer biochemischen Bedeutung

Inhalt

1. Allgemeines
1.0 Einleitung: Kohlenhydrate allgemein, Rolle der Monosaccharide als Monomere

2. Monosaccharide
2.1 Nomenklatur und Stereochemie
2.1.1 Allgemeine Unterscheidungsmerkmale
2.1.2 Fischer-Projektion
2.1.3 R-S-Nomenklatur
2.1.4 Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen
2.1.5 Bildung cyclischer Halbacetale; Haworth-Formel
2.1.6 Sesselform-Schreibweise der Pyranosen
2.2 Eigenschaften und Nachweisreaktionen
2.2.1 Eigenschaften
2.2.2 Nachweisreaktionen

3. Glucose
3.1 Glucose als Beispiel für Monosaccharide
3.2 Allgemeines zur biochemischen Bedeutung der Glucose
3.3 ATP
3.4 Glykolyse
3.5 Citrat-Cyclus
3.6 ATP-Gewinn über die Atmungskette

Anhang I: Glycerinaldehyd; Hexosen; Sesselschreibform der Glucose; Mutarotation

Anhang II: Glykolyse; Citratzyklus und seine Beziehungen zum Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel sowie zur biologischen Oxidation

[Quellen]

1. Allgemeines

1.0 Einleitung: Kohlenhydrate allgemein, Rolle der Monosaccharide als Monomere

Der Ausdruck "Kohlenhydrate" ist eine Sammelbezeichnung für Polyhydroxyaldehyde (Aldosen) und Polyhydroxyketone (Ketosen) sowie höhermolekulare Verbindungen, die sich durch Hydrolyse in solche Verbindungen führen lassen. Er wurde 1844 von Karl Schmidt geprägt, der annahm, dass es sich hierbei um Hyrate¹des Kohlenstoffs handelt. Tatsächlich aber werden zwar die meisten Kohlenhydrate durch die Bruttoformel

C_nH_2nO_n bzw. C_n(H₂O)_n

beschrieben, es gibt jedoch zahlreiche natürliche Zucker, in denen H und O nicht im Verhältnis von H2O auftreten. Außerdem kennt man heute Zucker, die neben C,H und O auch N oder S enthalten. Obwohl daher die Definition nach Schmidt nicht mehr gültig ist, wurde der Sammelbegriff für diese Stoffklasse beibehalten.

Gemeinsam mit Lipiden und Proteinen gehören die Kohlenhydrate zur Klasse der Naturstoffe, die die Ernährungsgrundlage bilden.

Kohlenhydrate werden von den grünen Pflanzen durch die Photosynthese synthetisiert. So wird die dabei genutzte Sonnenenergie als chem. Energie gespeichert und für alle Lebewesen nutzbar (Sonnenenergie ⇒ nutzbare Energie) gemacht:

_xCO₂ + _yH₂O + Energie ⇐⇒ C_x(H₂O)_y + _xO₂

Monosaccharide

sind diemonomeren Bausteineder Kohlenhydrate. Sie enthalten 3-7 Kohlenstoffatome. Oligosaccharide (2-10 Monomere):

Gemeinsam mit den Disacchariden (z.B.: Maltose), die durch Kondensationsreaktionen enstehen, werden Monosaccharide unter dem Begriff Zucker (saccharon = Zucker) zusammengefasst und haben in der Regel den charakteristischen Suffix -ose. Trisaccharide bestehen aus 3 Monomereinheiten.

Polysaccharidebestehen ausüber 10 Monomereinheiten(z.B.: Stärke², Cellulose³)

2. Monosaccharide

2.1 Nomenklatur und Stereochemie

2.1.1 Allgemeine Unterscheidungsmerkmale

- Nach derArt der Carbonylgruppe: Aldosen oder Ketosen

Die einfachsten Zucker sind als Oxidationsprodukte mehrwertiger Alkohole (Polyalkohole) aufzufassen, und zwar ensteht, je nachdem, ob die primäre oder sekundäre Alkoholgruppe oxidiert wird, eine Aldehyd- oder Ketogruppe. Man unterscheidet somit zwischen Polyhydroxy-Aldehyden (Aldehydzuckern = Aldosen) und Polyhydroxy-Ketonen (Ketozuckern = Ketosen). Unter Begleitung eines Enzyms (Isomerase⁴) stehen sie miteinander im Gleichgewicht.

- Nach der Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül

Monosaccharide haben 3 bis 7 Kohlenstoffatome. Daraus ergibt sich die Unterscheidung von Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen und Heptosen.

- Nach der räumlichen Konfiguration. Zu ihrer Darstellung bedient man sich unter anderem der

2.1.2 Fischer-Projektion

Sie wurde vom deutschen Chemiker Hermann Fischer begründet. Durch sie wird eine zweidimensionale Darstellung eines chiralen Moleküls möglich, das heißt eine Darstellung der sog. Enantiomerie (Spiegelbildisomerie): Diese ergibt sich aus der Tatsache, dass von optisch aktiven Stoffen⁵immer zwei, zueinander spiegelbildliche Molekülformen existieren. Sie verhalten sich zueinander wie die rechte zur linken Hand. Daher nennt man solche Stoffe chiral (gr.: cheir = Hand). Im Fall des Monosaccharids stellt das C-Atom mit seinen vier Substituenten das chirale Zentrum (Chirilitätszentrum, Spiegelebene) dar. Emil Fischer stellte einige Richtlinien für seine Darstellung auf:

1. das Chirilitätszentrum liegt in der Projektionsebene, das heißt Papierebene;
2. die Kohlenstoffkette wird senkrecht gestellt, wobei das Kohlenstoffatom mit der höchsten Oxidationsstufe oben steht;
3. die Anordnung der senkrecht stehenden Kohlenstoffkette erfolgt in der Weise, dass die Bindungen vom Chirilitätszentrum weg hinter die Projektionsebene weisen, dadurchstehen alle in die Waagrechte vom Chirilitätszentrum abgehenden Bindungen vor der Projektionsebene;
4. schließlich werden alle Bindungen in die Projektionsebene projiziert.

In der Fischer´schen Projektionsformel kann die Hydroxylgruppe am Chirilitätszentrum auf der rechten oder auf der linken Seite stehen. Die erste Form wird definitionsgemäß als D- Form (dexter), die zweite Form als L-Form (laevus) bezeichnet.Die Bezugssubstanz für die D-L-Nomenklatur ist die Triose Glycerinaldehyd [siehe Anhang I], der zu Beginn des letzten Jahrhunderts willkürlich die R-Konfiguration zugeschrieben wurde (einige Jahrzehnte später kam es tatsächlich zu ihrer Bestätigung). Das die Zugehörigkeit zur D- oder L-Reihe bestimmende Chirilitätszentrum ist jenes, das von der funktionellen Gruppe am weitesten entfernt ist. Allgemein weisen alle Ketosen um ein Chirilitätszentrum weniger auf als ihre zugehörigen Aldosen. Die D-L-Nomenklatur steht in keinem Zusammenhang zur

2.1.3 R-S-Nomenklatur

Sie beschreibt die optische Aktivität (siehe 2.2.1), indem sie die Drehrichtung angibt. Eine Rechtsdrehung wird mit (+) bzw. "R" (rectus); eine Linksdrehung mit (−) bzw. mit "S" (sinister) gekennzeichnet.

2.1.4 Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen

- Triosen: enthalten 3 C-Atome, es sindGlycerinaldehyd(siehe 2.1.2!) und1,3- Dihydroxyaceton(das als einziges Monosaccharid kein Chirilitätszentrum aufweist).

- Tetrosen: Aldo-Tetrosen wie dieThreoseundErythroseenthalten 4 C-Atome und besitzen zwei Chirilitätszentren, es gibt deshalb aufgrund der unterschiedlichen Stellung der Hydroxylgruppen 2²= 4 Stereoisomere. Stehen beide Hydroxylgruppen nach der gleichen Seite, so bezeichnet man die Substanz als D- oder L-Erythrose; sind die beiden hingegen nach verschiedenen Seiten gerichtet, handelt es sich um die D- oder L-Threose.

Die beiden Erythrosen verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, sie sind sog. Enantiomere. Die beiden Erythrosen verhalten sich zu den beiden Threosen nur an einem Chirilitätszentrum wie Bild und Spiegelbild, am anderen Chirilitätszentrum sind die räuml. Verhältnisse identisch. Moleküle mit zwei oder mehreren Chirilitätszentren, die sich nur teilweise wie Bild und Spiegelbild verhalten, werden als Diastereomere bezeichnet.

- Pentosen: Aldo-Pentosen wie dieD-Ribose(Baustein der RNA) haben 2³ Stereoisomere. Fehlt die OH-Gruppe an C-2, erhält man die2-Desoxyribose(Baustein der DNA). Die zur D-Ribose gehörige Ketose ist dieD-Ribulose.

- Hexosen:[siehe Anhang I] sind die wichtigsten Monosaccharide. Sie haben die Summenformel C6H12O6. Von Aldohexosen gibt es 2⁴= 16 Stereoisomere, eines von ihnen ist die weitverbreiteteD-Glucose( = Traubenzucker). Die Konfiguration am C-5 bestimmt ihre Zugehörigkeit zur D-Reihe. Der Stamm "Gluco" im Namen Glucose legt die Konfiguration an den anderen Chirilitätszentren fest. Zwei andere Aldohexosen, dieD- MannoseundD-Galaktose, haben außerdem im Stoffwechsel Bedeutung. Sie unterscheiden sich von der D-Glucose jeweils nurin der Konfiguration an einem C-Atom (D-M.: C-2; D-G.: C-4), sie werden daher, wie alle Monosaccharide, die sich nur an einem Chirilitätszentrum unterscheiden, als Epimere bezeichnet. D-Glucose und D-Galaktose sind an C-4, D-Glucose und D-Mannose an C-2 epimer. Alle drei Verbindungen sind diastereomer zueinander. D-Fructose ist eine Ketohexose und enthält daher ein Chirilitätszentrum weniger als D-Glucose. In der Konfiguration stimmen beide jedoch überein. Der biologische Abbau der D-Glucose, die der universelle Energielieferant für alle Lebewesen ist, geht vom Glucose-6-Phosphat aus und beginnt mit einer Isomerisierung zu Fructose-6-Phosphat (siehe 3.4). Von den 16 optisch aktiven (siehe 2.2.1) Aldohexosen kommen nur 4 in der Natur vor, nämlich D(+)-Glucose, D(+)- Mannose, D(+)-Galactose und D(+)-Talose. Die Hauptquelle bilden die Polysaccharide, in denen die Hexosen glykosidisch (unter Dehydratisierung⁶)miteinander verbunden sind.

2.1.5 Bildung cyclischer Halbacetale; Haworth-Formel

Die Fischer-Projektionsdarstellung vernachlässigt eine wichtige Eigenschaft der einfachen Zucker: die intramolekulare Verknüpfung der Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe des gleichen Zuckermoleküls unter Ausbildung eines Ringes, kurz: die Ringschlussreaktion. Diese Addition der Hydroxylgruppe an die CO-Gruppe beobachtet man vor allem bei Pentosen und Hexosen, die in wässriger Lösung ganz überwiegend als cyclische Halbacetale (Aldosen) bzw. Halbketale (Ketosen) vorliegen. Die offenkettige Schreibweise entspricht also nicht der Realität. Der englische Chemiker Sir Walter Harworth (Nobelpreis 1937) führte die nunmehr nach ihm benannte Harworth-Projektionsformel ein. Dabei wird der an sich gewinkelt gebaute Ring (siehe 2.1.6) flach dargestellt. Man legt die Ringatome in eine Ebene, auf die man perspektivisch von schräg oben blickt. Es treten nun zwei Arten von Ringen auf:

1. Furanose: (Fünfring): es kommt bei Aldohexosen zu einem Ringschluss am 4-OH der Kette; bei Ketosen am 5-OH. Hier kommt es wie bei Pyranosen zur Bildung eines neuen Chirilitätszentrums:

2. Pyranose: (Sechsring): Bei der Bildung dieses cyclischen Halbacetals kommt es bei Aldohexosen zu einem Ringschluss über die 5-OH Gruppe (Ketosen: 6-OH Gruppe) und die Aldehyd-CO-Gruppe, dabei kann die neugebildete OH-Gruppe oberhalb oder unterhalb der Ringebene liegen. Beim Ringschluss zum cyclischen Halbacetal ensteht daher ein neues Chirilitätszentrum, denn das C-Atom ist vierbindig (tetraedisch) und trägt vier verschiedene Substituenten. Weist die OH-Gruppe in die gleiche Richtung wie die CH2OH-Gruppe, spricht man von der β-Form, ansonsten von der α-Form. Aus der offenkettigen D-Glucose bilden sich β-D-Glucosepyranose und α-D-Glucopyranose. Die beiden Ringformen sind zueinander diastereomer. Diese Isomerie wird auch als Anomerie bezeichnet, es gibt daher zwei anomere Formen. Beide stehen in wässriger Lösung über die offenkettige Form (<1%) miteinander im Gleichgewicht (α/β = 36%/64%).

Die D-Glucose und alle anderen Zucker in der Cyclohalbacetalform liegen in drei (α-, β-, und die offenkettige, auch Oxo-Form genannte) isomeren Formen vor, die im Gleichgewicht stehen. Diese Tautomerie⁷wird als Oxo-Cyclo-Tautomerie bezeichnet. Das Ausmaß der optischen Drehung der beiden anomeren Formen ist verschieden (α-D-Glucose: [α]D = +112°; β-D-Glucose: [α]D = + 19°)⁸. Mit Hilfe der Polarimetrie kann man eine spontane Änderung dieser Werte und schließlich einen Endwert von 52,7° feststellen. Die Ursache ist, dass sich in Lösung durch die sog. Mutarotation [siehe Anhang I] (das schon erwähnte) Gleichgewicht (36%/64%) zw. α- und β-Form einstellt, unabhängig von den Ausgangsbedingungen. Der Drehwert am Ende ist ein Mittelwert aus den Beiträgen der einzelnen Anomeren entsprechend ihrem Anteil in der Lösung.

In Lösung liegen Furanose- und Pyranoseformen im Gleichgewicht miteinander und mit der offenkettigen Form vor. So findet man in einer neutralen Lösung <0.1% der Moleküle als offenkettige Form der Glucose, <1% als D-Glucofuranose und 99% als D-Glucopyranose vor.

2.1.6 Sesselform-Schreibweise der Pyranosen

[siehe Anhang I] Haworth-Formeln beschreiben Pyranosen nicht vollständig. Es lassen sich Konstitution und Konfiguration, nicht jedoch Konformation (räumliche Anordnung) des Sechsrings erkennen.

Der Sechsring verhält sich wie ein Cyclohexanring und nimmt in der Regel die energetisch günstigere Sesselform ein. Der Sessel ist so geklappt,dass möglichst viele Substituenten äquatorial (in der Ringebene) stehen. β-D-Glucopyranose weist nur äquatorielle Substituenten auf, während im α-Anomeren die anomere OH-Gruppe an C-1 axial steht. Aus dieser Darstellungsform erkennt man, dass der Raum für die Substituenten bei der Glucose optimal ausgenützt ist, insbesondere bei der β-Glucose.

Die Glucose ist damit das energieärmste Molekül aus der Reihe der Aldohexosen, was sicher ein Grund für ihre bedeutende Rolle in der Natur ist.

2.2 Eigenschaften und Nachweisreaktionen

2.2.1 Eigenschaften

- Optische Aktivität: Zur Analyse von Zucker-Lösungen eignet sich die Polarimetrie, ein Verfahren, das auf der Wechselwirkung chiraler Zentren mit polarisiertem Licht beruht. Lösungen chiraler Zentren drehen die Schwingungsrichtung des polarisierten Lichts um den Winkel α (siehe 2.1.5 für Glucose) nach rechts oder links. Bei anfangs gleichgerichtetem Polarisator und Analysator ermittelt man den Drehwinkel der Probesubstanz durch Drehen des Analysators, bis das Gesichtsfeld wieder hell erscheint. Die optische Drehung hängt von der Art der chiralen Verbindung, ihrer Konzentration und der Schichtdicke der Lösung ab.

- Hydrophilie: Durch die zahlreichen OH-Gruppen sind Monosaccharide sehr hydrophil und besitzen eine außergewöhnlich große Wasserlöslichkeit. In lipophilen org. Lösungen sind Monosaccharide unlöslich. In wässrigen Lösungen schmecken sie mehr oder weniger süß.

2.2.2 Nachweisreaktionen

Aldosen sind an der Aldehydgruppe leicht oxidierbar, aus D-Glucose ensteht dabei D- Gluconsäure. Zwei Farbreaktionen dienen zum Nachweis von Zucker:

- Fehling-Reaktion: Bei Verwendung der Fehling-Lösung, einem Gemisch aus Kupfersulfat, Kalium-Natriumtatratlösung und Natronlauge werden die tief dunkelblau gefärbten Kupfer(II)-Komplexionen durch Aldehyde reduziert, was an der Bildung von ziegelrotem Kupfer(I)oxid zu erkennen ist (ein Niederschlag von Cu2O fällt aus).

- Tollens-Reaktion: Bei der Reaktion von Zucker mit dem Tollens-Reagens, einer ammoniakalischen Silbernitratlösung, werden die Ag+-Ionen aus dem Silberdiaminkomplex durch die Aldehyde zu metallischem Silber reduziert, dieses setzt sich als Silberspiegel an der Gefäßwand ab.

Auch D-Fructose, als Ketose, reagiert mit diesen Lösungen. Dies erklärt sich daraus, dass die Reagenslösungen alkalisch sind und unter diesen Bedingungen Ketosen und Aldosen über ein Endiol im Gleichgewicht stehen.

3. Glucose

3.1 Glucose als Beispiel für Monosaccharide

Glucose ist die wichtigste Hexose, die aufgrund ihrer Rechtsdrehung auch als Dextrose bzw. aufgrund ihres Vorkommens in Weintrauben auch als Traubenzucker bezeichnet wird. Glucose ist eine wichtige Energiequelle für die Zelle; manche Gewebe, wie das Gehirn, beziehen ihren Energiebedarf ausschlielich aus Glucose. Im Blut befindet sich Glucose als sog. Blutzucker, wobei der Normalbereich für die Glucosekonzentration im Blut 3,9-6,1 mmol/l⁹beträgt. α-D-Glucose hat einen Schmelzpunkt von 146°C und einen Drehwinkel von +112,2°, ihre Löslichkeit im Wasser liegt mit 82,5g/100ml hinter der der β-D-Glucose: 178g/100ml. Der Drehwinkel der β-D-Glucose beträgt +18,7°, ihr Schmelzpunkt liegt bei 150°C.

3.2 Allgemeines zur biochemischen Bedeutung der Glucose:

Glucose ist ein Schlüsselmolekül für alle höheren Lebewesen einschließlich des Menschen. Bei gesunder Ernährung wird mehr als 50% des Energiebedarfs durch den Abbau von Glucose gedeckt. In tierischen und pflanzlichen Zellen, aber auch in vielen Bakterien ist Glucose der Ausgangspunkt zahlreicher Stoffwechselwege:

1.Glykolyse.Sie läuft im Cytosol ab und verwandelt Glucose in zwei Moleküle Pyruvat, wobei zwei ATP und zwei NADH gebildet werden. Diese beiden Moleküle Pyruvat werden durch oxidative Decarboxylierung in den Mitochondrien zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) gebildet, dieses eröffnet den Zugang zum

2.Citratzyklus. Er stellt nicht nur den Endabbauweg für Kohlenhydrate, sondern auch für Aminosäuren und Fettsäuren dar (die ihn im Endeffekt alle in Form des Acetyl-CoA betreten). Der Citratzyklus findet in den Mitochondrien statt. Die in ihm entstehenden Energieformen werden im Zuge der sog. oxidativen Phosphorylisierung (Atmungskette) in ATP umgewandelt. Beim Durchlaufen eines Acetyl-CoA im Citratzyklus entstehen so indirekt 11 ATP. Eine Alternative ist der Glucoseabbau im

3.Pentosephosphatweg (Hexose-monophosphat-Weg). Bei ihm kommt es zu einer direkten Oxidation und Decarboxylierung zu CO2. Er liefert zwei wichtige Vorstufen für anabolei Prozesse im Körper. Die

4.Gluconeogenese(in d. Leber und d. Niere) stellt formal eine Umkehr der Glykolyse dar. Durch sie werden aus Nicht-Kohlenhydrat -Vorstufen (z.B.: Lactat) Glucose synthetisiert. Bis auf einige nicht umkehrbare Stoffwechselschritte werden dieselben enzymatischen Reaktionen wie bei der Glykolyse benutzt (in umgekehrter Reihenfolge).

5.Glycogensynthese und -abbau. Das Glycogen (sehr großes, verzweigtes Polymer aus

Glucoseeinheiten) ist eine leicht zu mobilisierende Speicherform (Reservoir) für Glucose. Das Glycogen vermehrt die Glucosemenge stark, die zwischen den Mahlzeiten zur Verfügung steht.

Im folgenden Teil wird besonders auf Glykolyse und Citratzyklus eingegangen.

3.3 ATP

ATP (Adenosintriphosphat) ist die universelle Quelle freier Energie in biologischen Systemen. Sie dient als Hauptüberträger freier Energie (nicht als Speicherform!) und somit zur Ausführung mechanischer Arbeit bei der Muskelkontraktion und anderen zellulären Bewegungen, zum aktiven Transport von Molekülen und Ionen und zur Synthese von Makromolekülen und anderen Biomolekülen aus einfachen Vorstufen. Chemotrophe Organismen gewinnen diese Energie durch Oxidation von Nahrungsstoffen, während phototrophe Organismen sie durch Einfangen von Lichtenergie gewinnen. Das ATP besteht aus Adenin, Ribose und einer Triphosphateinheit. Bei der Aufspaltung eben dieser Triphosphateinheit, die zwei Phosphorsäureanhydrid-Bindungen enthält, wird sehr viel freie Energie. Die freie Energie, die bei der Hydrolyse einer Anhydridbindung freigesetzt wird, dient zum Antrieb von Reaktionen, die freie Energie benötigen (z.B.: Muskelkontraktion). Es kann dabei zur Hydrolyse zu Adenosindiphosphat (ADP) und Orthophosphat (Pi) oder zu Adenosinmonophosphat und Pyrophosphat (PPi) kommen. AMP, ADP und ATP sind ineinander überführbar: ATP + AMP ⇔ ADP + ADP. Dieser ATP-ADP-Zyklus ist der fundamentale Mechanismus des Energieaustausches in biologischen Systemen. In einer duchschnittlichen Zelle wird ein ATP-Molekül innerhalb einer Minute nach seiner Bildung verbraucht.

NADH und FADH2 sind die wichtigsten Elektronen-Carrier bei der Oxidation von Nahrungsstoffen. Chemotrophe Organismen gewinnen freie Energie aus der Oxidation von Nahrungsstoffen wie Glucose und Fettsäuren. In aeroben Organismen ist schließlich O2 der letzte Elektronenakzeptor. Jedoch werden Elektronen nicht direkt von den Nahrungsstoffen auf O2 übertragen sondern spezielle Carrier, die entweder Pyridin- oder Flavinnucleotide sind. Die reduzierten Formen dieser Carrier übertragen dann ihre Elektronen, die ein hohes Potential¹⁰besitzen, über eine Elektronentransportkette (Atmungskette) auf O2. Dabei wird aus ATP und Pi ATP gebildet. Dieser Prozess der oxidativen Phosphorylierung (siehe 3.7) ist die wichtigste ATP-Quelle im Organismus.

3.4 Glykolyse

[siehe Anhang II] Die Glycolyse ist eine Folge von Reaktionen, in denen Glucose zu Pyruvat umgewandelt wird und gleichzeitig ATP entsteht. In aeroben Organismen ist sie die Vorstufe des Citratzyklus und der Atmungskette, zusammen nehmen sie fast alle Energie auf, die überhaupt aus der Glucose zu gewinnen ist. Unter aeroben Bedingungen tritt das Pyruvat in die Mitochondrien über und wird hier (Citratzyklus) vollständig zu CO2 und H2O oxydiert. Wenn das Sauerstoffangebot ungenügend ist (z.B.: in ständig kontrahierendem Muskel), dann wird das Pyruvat in Lactat überführt. Bei einigen Organismen (z.B.: Hefe) wird das Pyruvat zu Äthanol umgewandelt.

1. Der erste Abschnitt, die Überführung der Glucose in Fructose-1,6-biphosphat, besteht aus drei Reaktionen: einer Phosphorylierung, einer Isomerisierung und einer zweiten Phosphorylierungsreaktion. Die Strategie dieser ersten Schritte liegt in der Bildung einer Verbindung, die leicht in phosphorylierte Einheiten mit drei Kohlenstoffatomen gespalten werden kann.

- Glucose dringt in die meisten Zellen mit Hilfe eines speziellen Carriers oder eines aktiven Transportsystems ein. Dort wird sie mit ATP zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert. Der Transfer der Phosphatgruppe vom ATP zur C-6-Hydroxylgruppe wird durch die Hexokinase¹¹katalysiert. Die Glucose wird bei diesem Reaktionsschritt auf ein höheres Energieniveau gehoben (um ca. 16 kJ/mol). Das chemische Gleichgewicht dieser Reaktion liegt fast ausschließlich auf der Produktseite, sodass der Reaktionsschritt praktisch irreversibel ist.

- Es folgt nun eine Isomerisierung von Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat, eine Umwandlung einer Aldose (Pyranosering) in eine Ketose (Furanosering). Diese reversible Umwandlung findet statt, da Glucose selbst kann nur eine Phosphatgruppe aufnehmen (C- 6-Atom), während Fructose zwei Phosphatgruppen aufnehmen kann (C-1; C-6). Diese Isomerisierung wird durch die Phosphoglucose-Isomerase katalysiert.

- Nun wird das Fructose-6-Phosphat durch Anhängen einer weiteren Phosphatgruppe noch weiter aktiviert. Durch die erneute Phosphorylierung durch ATP steigt die Energie des Moleküls wieder um ca. 16 kJ/mol. Diese durch das Enzym Phosphofructokinase katalysierte Reaktion ist irreversibel (die freie Reaktionsenergie reicht nicht aus, um ADP zu phosphorylieren.

2. Der zweite Teil beginnt mit der

- Spaltung des Fructose-1,6-Diphosphates zu Glycerinaldehyd-3-phosphat und

Dihydroxyacetonphosphat. Diese durch das Enzym Aldolase katalysierte Reaktion verläuft in zwei Teilschritten. Zunächst findet eine Isomerisierung statt. Das ringförmige Molekül wird zwischen dem Ring-O-Atom und dem C-2 Atom gespalten, es entsteht das kettenförmige Isomer des Fructse-1,6-diphosphates. Im zweiten Teilschritt wird das kettenförmige Molekül nun gespalten. Ursache hierfür sind die beiden Phosphatgruppen, die aufgrund ihrer neg. Ladungen die mittlere C-C-Bindung schwächen, sodass das Molekül leicht zerfällt. Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt stark auf der Eduktseite, nur 11% aller Moleküle liegen in gespaltener Form vor. Von diesen 11% liegen wiederum 96% als Dihydroxyacetonphosphat vor, und nur 4% als Glycerinaldehyd-3-phosphat. Vom Glycerinaldehyd führt die Glykolyse dann weiter, jedoch nicht vom Dihydroxyaceton- phosphat. Durch die Triosephosphatisomerase können die beiden Isomere (D.:Ketose, G.:Aldose) leicht ineinander leicht umgewandelt werden. Da das Glycerinaldehydphosphat durch Weiterreaktion ständig aus dem Medium entfernt wird, kommt es laufend, entsprechend dem chem. Gleichgewicht, zur Umwandlung in Glycerinaldehydphosphat.

- Erst jetzt, nach Verwendung zweier ATP, kommt es in den folgenden Schritten zum Energiegewinn: Zunächst wird Glycerinaldehydphosphat in 1,3-Diphosphatglycerat umgewandelt (1,3-DPG), eine Reaktion, die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat- Dehydrogenase katalysiert wird. Das Glycerinaldehydphosphat gibt ein Wasserstoffatom und ein zusätzliches Elektron (formal also ein Hydrid-Ion H−) an ein NAD+-Ion ab. Das NAD+ wird zu NADH reduziert. Das Phosphat wird an den C3-Körper gebunden. Die Nettoraktion lautet:

Glycerinaldehyd-3-Phosphat + NAD+ + Pi ⇔ 1,3-DPG + NADH + H+

- Das Intermediärprodukt 1,3-Diphosphat-Glycerat ist sehr instabil. Nun wird eine der beiden Phosphatgruppen an ADP abgegeben, somit kommt es zur ersten ATP-erzeugenden Reaktion.Bei diesem durch die Phosphoglyceratkinase katalysierten Schritt verbleibt eines der vier O-Atome der Phosphatgruppe im C3-Körper und oxidiert die Aldehydgruppe zu einer Carboxylgruppe (⇒Carbonsäure). 3-Phosphoglycerat ensteht. Die Energiebilanz der Glycolyse ist nun ausgeglichen: Wurden zwei ATP benötigt, um die Glucose zu aktivieren und zu spalten, so wird jetzt bei der Oxidation der beiden Spaltprodukte je ein ATP gewonnen.

3. Im dritten Abschnitt der Glykolyse wird das 3-Phosphatglycerat in drei Stufen unter Gewinnung von einem ATP in Pyruvat überführt.

- Durch die Phosphoglyceratmutase¹²katalysiert kommt es zu einer intramolekularen Umlagerung. Bei der Änderung der Position der Phosphatgruppe ensteht aus 3- Phosphoglycerat ein 2-Phosphoglycerat.

- Die Enolase katalysiert nun eine Bildung von Enol durch eine Dehydratisierung des 2- Phosphoglycerates.

- Die letzte Reaktion ist die Bildung von Pyruvat, wobei gleichzeitig ATP entsteht. Die

Übertragung der Phosphatgruppe auf ein ADP wird duch die Pyruvatkinase katalysiert. Die Phosphorylierung ist nicht von einer Oxidation begleitet, verläuft also anders als die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion. Die Nettoreaktion der Umwandlung von Glucose in Pyruvat lautet also: Glucose + 2Pi + 2 ATP + 2 NADH+ ⇒ 2 Pyruvat + 2ATP + 2 NADH + 2H+ + 2 H2O

Enzyme als Kontrollelemente der Glykolyse: Im Stoffwechsel sind Enzyme, die vorwiegend irreverible Reaktionen katalysieren, wichtige Kontrollpunkte. In der Glykolyse sind die von der Hexokinase, der Phosphofructokinase und der Pyruvatkiase katalysierten Reaktionen irreversibel, sie haben daher sowohl katalytische, als auch regulatorische Funktion. Das wichtigste Kontrollelement der Glykolyse ist die Phosphofructokinase. Sie wird durch ATP und Citrat (siehe Zitratzyklus: hoher Zitratzyklus heißt, dass reichlich Biosynthesevostufen vorhanden sind) gehemmt. Die ATP-Hemmung wird durch AMP wieder aufgehoben. Die Phosphofructokinase ist also am aktivsten, wenn die Zelle sowohl Energie als auch Bausteine benötigt, was ein niedriger ATP/AMP-Quotient und ein niedriger Citratspiegel signalisieren. Pyruvatkinase wird durch ATP, Hexokinase durch Glucose-6- phosphat gehemmt.

Umwandlung von Pyruvat in Äthanol, Lactat oder Acetyl-Coenzym A: Die Verwertung des Pyruvates zur Erzeugung von Energie ist unterschiedlich. Es gibt drei Formen:

- In der Hefe und in einigen anderen Mikroorganismen entsteht in der anaeroben, alkoholischen Gärung Äthanol aus Pyruvat.

- In verschiedenen Mikroorganismen entsteht Lactat aus der Reduktion des Pyruvates durch NADH. Die Reaktion tritt auch bei Zellen höherer Organismen auf, wenn der Sauerstoffgehalt der begrenzende Faktor ist (z.B.: Muskel bei intensiver Beanspruchung).

- Durch die sog. oxidative Decarboxylierung (mehrstufige Reaktion) entsteht in den

Mitochondrien aus Pyruvat das Acetyl-Coenzym A, durch einen Multienzymkomplex, dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert:

Pyruvat + NAD+ + CoA ⇒ Acetyl-CoA + CO2 + NADH Diese findet in den Mitochondrien statt.

3.5 Citrat-Cyclus (Tricarbonsäurecyklus, Krebszyklus)

[siehe Anhang II] Der Citratzyklus ist die "Endstation" aller zur Energieerzeugung verwendbarer Moleküle, für Aminosäuren, Fettsäuren und Kohlenhydrate. Fast alle Moleküle, die hier verwertet werden, treten als Acetyl-CoA in diesen Zyklus ein. Er liefert daneben auch Zwischenprodukte für Biosynthesen. Die Reaktionen verlaufen in den Mitochondrien, den "Kraftwerken" der Zelle.

- Der Kreislauf beginnt mit der Verknüpfung einer C-4-Einheit, Oxalacetat, und einer C-2- Einheit, der Acetylgruppe des Acetyl-CoA. Das Oxalacetat reagiert mit Acetyl-CoA und H2O unter Bildung von Citrat und CoA. Diese Reaktion wird von der Citrat-Synthase (urspr. Bezeichnung: condensing enzyme) katalysiert.

- Um eine oxydative Decarboxylierung der C-6 Einheit zu ermöglichen, muss Citrat zu

Isocitrat isomerisiert werden. Diese Isomerisierung wird durch eine Dehydratisierung und eine anschließende Hydratisierung erreicht. Das Resultat ist ein Austausch einer H- und OH-Gruppe. Das katalysierende Enzym wird Aconitase genannt, dieser Name ergibt sich aus dem Intermediärprodukt cis-Aconitat.

- Es folgt die erste von vier Oxidationsreaktionen im Citratzyklus: Das Enzym Isocitrat-

Dehydrogenase bewirkt eine Umwandlung des Isocitrates in α¹³-Ketoglutarat. Intermediär entsteht in dieser Reaktion Oxalsuccinat, während der Bindung an das Enzym verliert es schnell CO2, und dabei entsteht α-Ketoglutarat:

Isocitrat + NAD+ ⇔ α-Ketoglutarat + CO2 + NADH

- Die zweite oxidative Decarboxylierung , die vom α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex

katalysiert wird, führt zu einer Umwandlung in Succinyl-CoA:

α-Ketoglutarat + NADH+ + CoA ⇔ Succinyl-CoA + CO2 + NADH

- Der Thioester¹⁴Succinyl-CoA besitzt eine energiereiche Bindung. Die Spaltung der

Thioesterbindung des Succinyl-CoA ist mit der Phosphorylierung von Guanindiphosphat (GDP) zu Guanintriphosphat (GTP) gekoppelt. Diese Reaktion ist die einzige im Zitratzyklus, die direkt eine energiereiche Phosphatbindung liefert. Die Phosphatgruppe kann leicht auf ADP übertragen werden: GTP + ADP ⇔ GDP + ATP. Es ensteht Succinat, das Salz der Bernsteinsäure:

Succinyl-CoA + Pi + GDP ⇔ Succinat + GTP + CoA

- Es folgt nun in drei Stufen die Regeneration von Oxalacetat (Oxidation, Wasseranlagerung, Oxidation). Die freiwerdende Energie wird in Form von FADH2 und NADH abgefangen. Durch die Succinat-Dehydrogenase katalysiert, wird zuerst das Succinat zu Fumarat oxidiert. Bei dieser Reaktion ist nicht NAD+, sondern FAD der Wasserstoffakzeptor, da die Änderung der freien Energie zur Rduktion von NAD+ nicht ausreicht. Im nächstn Schritt wird Fumarat unter Entstehung von L-Malat hydratisiert. Die Fumarase katalysiert diesen Vorgang. Schließlich wird Malat unter Einwirkung des Enzyms Malatdehydrogenase zu Oxalacetat oxidiert, und NAD ist wiederum ein Elektronenakzeptor.

Somit lautet die Nettoreaktion des Citratzyklus:

Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O ⇒ 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + 2H+ +CoA

Enzyme als Kontrollelemente des Citratzyklus: Ähnlich wie bei der Glykolyse kommt es durch verschiedene Stoffe, die Mangel oder Überschuss anzeigen, zur Aktivierung oder zur Hemmung der entscheidenden Enzyme:

z.B.: Succinatdehydrogenase: A.: Succinat, Fumarat; H.: Oxalacetat

3.6 ATP-Gewinn über die Atmungskette

Die Atmungskette ist in der inneren Membran der Mitochondrien lokalisiert. Die bei der Glycolyse und im Citratzyklus entstandenen Wasserstoffträger NADH und FADH2 stellen energiereiche Moleküle dar, da sie ein Elektronenpaar mit hohem Übertragungspotential besitzen. Bei der Übertragung dieser Elektronen auf molekularen Sauerstoff wird sehr viel Energie frei, die zur ATP-Erzeugung verwendet werden kann. Dieser Prozess wird als oxydative Phosphorylierung bezeichnet; dabei entsteht ATP in dem Ausmaß, wie Elektronen vom NADH oder FADH2 über eine Reihe von Elektronentransportern auf O2 übertragen werden. Das bedeutet im konkreten Fall ein Gewinn 3 ATP bei der Oxidation von NADH und einen Gewinn von 2 ATP bei der Oxidation von FADH2.

Ein Molekül Glucose liefert somit:

Umwandlung in Pyruvat: 2 ATP + 2 NADH + 0 FADH2

Umw. Pyruvat - aktivierte Essigsäure: 0 ATP + 2 NADH + 0 FADH2

2 Umläufe im Citratzyklus: 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2

Summe: 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH2

nach der oxidativen Phosphorylierung: 4 ATP + 30 ATP + 4 ATP = 38 ATP

[Quellen] Lubert Stryer: Biochemie (2.Aufl.)

Peter Karlson: Kurzes Lehrbuch der Biochemie (9.Aufl.)

Jan Koolman, Klaus-Heinrich Röhm: Taschenatlas der Biochemie (2.Aufl.) Kaiser, Goldenberg: Medizinische Chemie

Löffler: Basiswissen Biochemie

Löffler, Pertrides: Biochemie und Pathobiochemie Arnold Arni: Grundkurs Chemie II

Zeeck: Chemie für Mediziner

Marye Anne Fox, James K. Whitesell: Organische Chemie

K. Peter C. Vollhardt, Neil E. Schore: Organische Chemie Beyer, Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie dtv-Atlas zur Chemie II

Römpp-Lexikon Chemie

i aufbauende

[...]

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¹Produkte von Wasseranlagerungen

²Polymer (Polykondensat) der α-D-Glucose

³Polymer der β-D-Glucose

⁴verschiebt Gruppen innerhalb eines Moleküls, ohne dass sich die Bruttoformel des Substrats ändert

⁵siehe 2.2.1

⁶Wasserabspaltung

⁷Tautomerie: Gleichgewicht zw. Isomeren.

⁸für 1 Mol

⁹mmol...milimol

¹⁰≈ leicht übertragbar sind

¹¹Ein Enzym, das eine Phosphatgruppe vom ATP auf einen Akzeptor überführt, wird allgemein Kinase genannt.

¹²Ein Enzym, das einen intramolekularen Transport einer chem. Gruppe katalysiert, wird allgemein Mutase genannt.

¹³"α" bezieht sich hier auf die Position der =O Bindung am sog. α-C

¹⁴zeichnet sich durch die typ. R-SH Verbindung aus, ist sehr reaktionsfähig