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:
- Vorbereitende Phase — es werden 2 Moleküle ATP verbraucht; es entstehen zwei Phosphotriosen: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP). Sie sind Isomeren und lassen sich leicht ineinander umwandeln.
- ATP-Synthesephase – Glycerinaldehyd-3-phosphat (×2) wird unter Bildung von ATP und NADH zu Pyruvat umgewandelt.
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:
- Ribose-5-phosphat ist das Substrat für die Nukleotidsynthese.
- NADPH ist der Wasserstoffdonator bei anabolen Reaktionen: Synthese von Cholesterol, Gallensäuren, Fettsäuren, Steroidhormonen; Schutz der Zelle vor reaktiven Sauerstoffspezies über das Glutathionsystem.
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:
- Dihydroxyacetonphosphat ist eine zentrale Verbindungssubstanz. Daraus wird Glycerin-3-phosphat reduziert (Enzym Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase, Coenzym NADH) – die Grundlage für die Synthese von Triacylglycerolen (Fetten).
- Acetyl-CoA, das bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat entsteht, dient als Ausgangssubstrat für die Fettsäuresynthese.
- NADPH aus dem Pentosephosphatweg wird als Reduktionsmittel bei den Synthesereaktionen von Fettsäuren und Cholesterol benötigt.
- ATP aus der Glykolyse liefert Energie für Biosyntheseprozesse.
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:
- Einbau des Transporters GLUT-4 in die Membran von Adipozyten und Myozyten – Glukoseaufnahme in insulinabhängige Gewebe.
- Aktivierung von Glykolyseenzymen (Hexokinase, Phosphofruktokinase, Pyruvatkinase).
- Aktivierung der Glykogensynthase – Glykogensynthese.
- Induktion der Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase – Verstärkung des Pentosephosphatwegs und der NADPH-Bildung.
- Aktivierung von Enzymen zur Synthese von Fettsäuren und Triacylglycerolen.
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.
Schlüsselpunkte
- Glykolyse – 10 Reaktionen im Zytoplasma; Glukose (C6) wird in 2 Pyruvatmoleküle (C3) gespalten.
- Die anaerobe Glykolyse endet unter Beteiligung der Laktatdehydrogenase mit der Bildung von Laktat; typisch für Erythrozyten, die Augenlinse, das ischämische Myokard und Tumoren.
- Dihydroxyacetonphosphat ist das Hauptbindeglied zwischen Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel: Daraus entsteht Glycerin-3-phosphat für die Synthese von Triacylglycerolen.
- Acetyl-CoA aus der Glykolyse ist das Substrat für die Fettsäuresynthese; NADPH aus dem Pentosephosphatweg ist der Wasserstoffdonator für diese Synthese.
- Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase ist das Schlüsselregulationsenzym des Pentosephosphatwegs; die Produkte sind NADPH und Ribose-5-phosphat.
- Die Gluconeogenese nutzt dieselben Substrate wie die Glykolyse, jedoch katalysieren 4 einzigartige regulatorische Enzyme die irreversiblen Reaktionen in umgekehrter Richtung.
- Insulin aktiviert Syntheseprozesse (Glykogen, Fette, Proteine) und die Glukoseverwertung; Glucagon und Adrenalin bewirken die Mobilisierung von Energiereserven.
- Normaler Blutzuckerspiegel – 3,3–5,5 mmol/l; seine Aufrechterhaltung wird durch das Gleichgewicht von Glykogenolyse, Gluconeogenese und Nahrungszufuhr von Glukose gewährleistet.