Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel: Stoffwechselwege und ihre Verknüpfung

Analyse von Glykolyse, Gluconeogenese, Pentosephosphatweg und Fettsynthese. Die Schlüsselverbindung zwischen Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel über Dihydroxyacetonphosphat, Acetyl-CoA und NADPH.

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Metabolische Wege der Kohlenhydrate

Im Kohlenhydratstoffwechsel gibt es mehrere Schlüsselwege, die ein Medizinstudent auf Ebene der Substrate, Enzyme und Regulation kennen muss: aerobe Glykolyse (Embden-Meyerhof-Weg, dichotome Glukoseoxidation), anaerobe Glykolyse, Synthese und Abbau von Glykogen, Gluconeogenese und der Pentosephosphatweg (Hase-Warburg-Dickens-Weg). All diese Wege sind durch gemeinsame Metaboliten und Regulationsmechanismen miteinander verknüpft, wodurch der Organismus flexibel zwischen Energiespeicherung und -verbrauch umschalten kann.

Die Bezeichnungen für denselben Prozess unterscheiden sich in verschiedenen Lehrbüchern: Embden-Meyerhof-Weg, dichotome Oxidation und aerobe Glykolyse sind Synonyme; Pentosephosphatweg und Hexosemonophosphatweg sind ebenfalls identisch.

Glykolyse: aerobe und anaerobe Variante

Glykolyse ist der Abbau eines Glukosemoleküls (C6) zu zwei Molekülen Pyruvat (C3). Der Prozess findet im Zytoplasma statt und umfasst 10 Reaktionen, die in zwei Phasen unterteilt sind:

Bei der aeroben Glykolyse gelangt Pyruvat in die Mitochondrien, wo durch oxidative Decarboxylierung und den Citratzyklus Acetyl-CoA gebildet wird; die reduzierten Coenzyme NADH und FADH₂ übertragen Elektronen auf die Atmungskette und sorgen für eine Nettoausbeute von etwa 38 ATP.

Bei der anaeroben Glykolyse ist nicht genügend Sauerstoff vorhanden oder es fehlen Mitochondrien. NADH kann in der Atmungskette nicht oxidiert werden und überträgt daher seine Wasserstoffatome auf Pyruvat: Unter der Wirkung der Laktatdehydrogenase entsteht Laktat. Die anaerobe Glykolyse ist typisch für Erythrozyten und die Augenlinse (keine Mitochondrien), für das Myokard bei Ischämie (Infarkt), für schnell wachsende Tumoren und intensiv arbeitende Skelettmuskeln.

Gluconeogenese und Glykogenstoffwechsel

Gluconeogenese ist die Synthese von Glukose aus nicht-kohlenhydratbasierten Vorstufen: Laktat, Glycerin, Aminosäuren. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Blutzuckerspiegel (Norm 3,3–5,5 mmol/l) beim Fasten aufrechtzuerhalten. Glykolyse und Gluconeogenese sind zueinander reziproke Prozesse; sie unterscheiden sich in ihren regulatorischen Enzymen, die irreversible Reaktionen katalysieren (3 Enzyme in der Glykolyse, 4 in der Gluconeogenese). Die reversiblen Reaktionen sind bei beiden Wegen gemeinsam.

Glykogen ist das Reservekohlenhydrat der Tiere und wird in Leber und Muskeln gespeichert. Die Glykogensynthase ist für seine Synthese verantwortlich (aktiv bei Nahrungsaufnahme), die Glykogenphosphorylase für seinen Abbau (aktiv beim Fasten).

Pentosephosphatweg

Der Pentosephosphatweg ist ein alternativer Glukoseoxidationsweg, der in Leber, Fettgewebe, Nebennierenrinde, Erythrozyten, laktierender Brustdrüse und Hoden aktiv abläuft. Er umfasst eine oxidative und eine nicht-oxidative Phase.

In der oxidativen Phase wird Glukose-6-phosphat unter Einwirkung der Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase (dem wichtigsten regulatorischen Enzym) und der 6-Phosphoglukonatgehydrogenase zu Ribulose-5-phosphat umgewandelt, wobei zwei Moleküle NADPH gebildet und CO₂ freigesetzt werden.

Biologische Bedeutung der Produkte:

An der nicht-oxidativen Phase sind Epimerasen, Isomerasen, Transketolase (Coenzym Thiamindiphosphat, ein Vitamin-B₁-Derivat) und Transaldolase beteiligt; dabei erfolgt eine Umordnung der Kohlenstoffgerüste mit Rückkehr zu Hexosen.

Verknüpfung von Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel

Die Verknüpfung der beiden Stoffwechselwege erfolgt auf der Ebene gemeinsamer Metaboliten:

Die Synthese von Triacylglycerol im Adipozyt: Glycerin-3-phosphat wird schrittweise acyliert (Fettsäurereste bzw. Acyle werden angelagert), es entsteht Phosphatidsäure, anschließend spaltet eine Phosphatase die Phosphatgruppe ab und der dritte Acylrest bindet an die freie OH-Gruppe.

Hormonelle Regulation: absorptive und postabsorptive Periode

In der absorptiven Periode (nach der Nahrungsaufnahme) wird bei steigerndem Blutzucker Insulin ausgeschüttet. Seine Wirkungen sind:

In der postabsorptiven Periode (Fasten) überwiegen die Kontrinsulinhormone – Glucagon, Adrenalin, Cortisol. Sie aktivieren die Glykogenphosphorylase (Glykogenabbau), die Gluconeogenese und die Lipolyse, wodurch die Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels und die Mobilisierung von Energiesubstraten sichergestellt werden.

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