Gluconeogenese

Hast du dich schon einmal gefragt, was in deinem Körper passiert, wenn wir schlafen oder länger nichts essen? Schließlich gibt es Organe in unserem Körper, die ständig Glucose benötigen. Das sind das Gehirn, Erythrozyten und das Nierenmark. Es muss also einen Mechanismus geben, der die Glucosekonzentration im Blut konstant hält. Diesen Mechanismus nennt man Gluconeogenese.

Gluconeogenese: einfach erklärt

Die Gluconeogenese ist ein anaboler Stoffwechselweg, d.h. es wird Energie aufgewendet, um chemischen Verbindungen aufzubauen. Um aus Lactat, Glycerol oder glucogenen Aminosäuren Glucose herzustellen, wird Energie benötigt. Die Gluconeogenese dient zur Aufrechterhaltung eines konstanten Blutglucosespiegels in unserem Körper. Die Energie, die für die Gluconeogenese aufgewendet werden muss, stammt überwiegend aus dem Abbau von Fetten.

Gluconeogenese: Ausgangsstoffe

Die Ausgangsstoffe der Gluconeogenese stammen aus verschiedenen Abbauwegen. Lactat stammt beispielsweise aus dem anaeroben Glucoseabbau in den Muskeln. Glycerol entsteht bei dem Fettabbau und glucogene Aminosäuren entstehen beim Abbau von Proteinen.

Lactat, Glycerol und glucogene Aminosäuren müssen zuerst in Pyruvat umgewandelt werden, damit die Gluconeogenese starten kann. Demnach ist Pyruvat eigentlich der Ausgangsstoff (Substrat) der Gluconeogenese.

Gluconeogenese: Ort & Aufbau

Wenn du dich bereits mit der Glykolyse auseinander gesetzt hast, ist dir sicherlich schon aufgefallen, dass Pyruvat das Produkt und Glucose das Substrat der Glykolyse ist. Im Gegensatz dazu ist das Pyruvat das Substrat und Glucose das Produkt der Gluconeogenese. Auf den ersten Blick könnte man also meinen, dass die Gluconeogenese eine Umkehrung der Glykolyse ist.

Aber aufgepasst! Die beiden Vorgänge ähneln sich zwar, haben aber auch einige Unterschiede, weshalb sie nicht exakt rückwärts ablaufen können. Die Gluconeogenese besteht aus 11 einzelnen Reaktionen.

Gluconeogenese: 1. Carboxylierung von Pyruvat

Mithilfe der Pyruvatcarboxylase wird Pyruvat, wie der Name schon sagt, carboxyliert. Das heißt, an das Pyruvat wird eine Carboxylgruppe () angehängt. Die Carboxylgruppe stammt von . Bei dieser Reaktion wird ein Mol ATP pro carboxyliertes Pyruvat verbraucht. Das Produkt der Reaktion ist Oxalacetat. Dieser erste Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend für die Gluconeogenese.

Die Reaktion von Pyruvat zu Oxalacetat findet in den Mitochondrien statt.

Oxalacetat kann in seiner Form die Doppelmembran der Mitochondrien nicht überqueren. Daher wird Oxalacetat im 2. Schritt zuerst zu Malat, Aspartat oder Citrat umgewandelt. Diese Substanzen können die äußere Mitochondrienmembran passieren. Somit gelangt Malat, Aspartat oder Citrat ins Cytoplasma der Zelle.

Auf der anderen Seite der Membran wird aus diesen Substanzen wieder Oxalacetat hergestellt. Im Cytoplasma finden auch die restlichen Reaktionen der Gluconeogenese statt. Somit ist das Cytoplasma der Ort des größten Teils der Gluconeogenese. Diese Reaktion unterscheidet sich wesentlich von der Glykolyse, da ein anderes Enzym verwendet wird.

Gluconeogenese: 2. Decarboxylierung von Oxalacetat

Oxalacetat wird im nächsten Schritt durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEP-Carboxykinase) decarboxyliert. Das wichtige hierbei ist, dass nicht das gleiche Enzym wie in der Glykolyse verwendet wird. Es handelt sich dabei also ebenfalls um eine der Reaktionen, die sich von der Glykolyse unterscheiden. Als Produkt dieser Reaktion entsteht Phosphoenolpyruvat (PEP).

Auch diese Reaktion braucht Energie. Hierfür wird GTP in GDP + P gespalten. Bei der Reaktion wird eine Carboxylgruppe () in Form von abgespalten. Gleichzeitig wird aber auch eine Phosphorylgruppe ( ) angehängt. Die PEP-Carboxykinase wird als Schlüsselenzym der Gluconeogenese angesehen.

Nach der Decarboxylierung von Oxalacetat folgen mehrere Reaktionsschritte, die genau umgekehrt zur Glykolyse ablaufen. Die Enzyme der Glykolyse katalysieren diese Reaktionsschritte bei der Gluconeogenese.

Gluconeogenese: 3. Enolase-Reaktion

Die Enolase katalysiert die Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu 2-Phosphoglycerat, indem Phosphoenolpyruvat hydratisiert wird. An Phosphoenolpyruvat (PEP) werden also Wassermoleküle angehängt.

Gluconeogenese: 4. Isomerisierung von 2-Phosphoglycerat

Bei dieser Reaktion verändert ein Enzym nur die Struktur des Moleküls. 2-Phosphoglycerat wird von der Phosphoglyceratmutase zu 3-Phosphoglycerat umgebaut.

Gluconeogenese: 5. Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat

3-Phosphoglycerat wird bekommt eine weitere Phosphorylgruppe ( ) angehängt und heißt dann 1,3-Bisphosphoglycerat. 1,3 bedeutet, dass am 1. Und 3. C-Atom die Phosphorylgruppe hängt und „-Bis“ kennzeichnet, dass das Molekül zwei dieser Phosphorylgruppen besitzt.

Die Phosphorylgruppe stammt von ATP, das zu ADP + P abgebaut wird. Für diesen Reaktionsschritt werden 2 Mol ATP benötigt.

Gluconeogenese: 6. Reduktion von 1,3-Bisphosphoglycerat

1,3-Bisphosphoglycerat wird durch die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu Glycerinaldehyd-3-phosphat reduziert. Das schöne ist, dass du dir auch hier wieder den Namen des Enzyms bzw. des Produkts der Reaktion gut merken kannst, weil das Enzym nach dem Produkt der Gluconeogenese benannt ist.

Bei dieser Reaktion wird werden 2 Mol des Coenzyms benötigt.

Gluconeogenese: 7. Isomerisierung von Glycerinaldehyd-3-phosphat

Vielleicht erinnerst du dich in von Glykolyse daran, dass je ein Molekül Glycerinaldehyd-3-phosphat und ein Molekül Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) entstehen. Jetzt wird also ein Molekül Glycerinaldehyd-3-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) umgebaut, damit wieder Fructose-1,6-Bisphosphat entstehen kann.

Bei dieser Reaktion wird Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) von der Triosephosphatisomerase zu Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) umgebaut.

Gluconeogenese: 8. Synthese von Fructose-1,6-Bisphosphat

Bei dieser Reaktion werden schließlich Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) und Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) zusammengefügt. Daraus entsteht dann ein Mol Fructose-1,6-Bisphosphat. Da die Reaktion Energie braucht, wird dabei ATP zu ADP + P abgebaut.

Gluconeogenese: 9. Dephosphorylierung von Fructose-1,6-Bisphosphat

Bei dieser Reaktion wird wieder das Enzym der Glykolyse durch ein anderes in der Gluconeogenese ersetzt. Daher handelt es sich bei dieser Reaktion nicht mehr um eine Umkehrreaktion.

Das Enzym Fructose-1,6-bisphosphatase dephosphoryliert Fructose-1,6-Bisphosphat zu Fructose-6-Phosphat. Dabei wird eine Phosphatgruppe abgespalten.

Gluconeogenese: 10. Isomerisierung von Fructose-6-Phosphat

Fructose-6-Phosphat wird durch die Glucose-6-phosphat-Isomerase zu Glucose-6-phosphat umgebaut. Es ändert sich nur die Anordnung der Atome im Molekül.

Gluconeogenese: 11. Synthese von Glucose

Wir nähern uns dem Ziel. Glucose-6-Phosphat hört sich schon ziemlich nach Glucose an, oder? Jetzt fehlt nur noch die Umwandlung von Glucose-6-Phosphat in Glucose. Auch dieser Reaktionsschritt unterscheidet sich von dem der Glykolyse. Er läuft also nicht exakt rückwärts ab.

Die Glucose-6-phosphatase befindet sich im glatten endoplasmatischen Retikulum und wandelt Glucose-6-Phosphat unter Phosphatabspaltung zu Glucose um. Hierbei wird sogar ein Mol ATP gewonnen.

Geschafft! Jetzt weißt du, wie der Körper selbst Glucose herstellen kann. Die wichtigsten Reaktionsschritte, die du dir merken solltest, sind die, die nicht umgekehrt bei der Glykolyse ablaufen, sondern umgangen werden müssen.

Das liegt übrigens daran, dass diese Enzyme bei der Glykolyse nur in eine Richtung katalysieren können. Diese Reaktionen sind in der Glykolyse irreversibel. Deshalb können sie in der Gluconeogenese auch nicht umgekehrt ablaufen.

Gluconeogenese: Reaktionsgleichung

Bei der Gluconeogenese muss Energie aufgewendet werden, um Glucose herzustellen. Es ist aber nicht so, dass die Energie einfach verbraucht oder verloren geht. Die „verbrauchte“ Energie, wird in dem Molekül Glucose gespeichert. Wenn Glucose in der aeroben Zellatmung wieder abgebaut wird, entstehen ca. 32 Mol ATP.

Gluconeogenese: Regulation

Da die Gluconeogenese einen hohen Energiebedarf hat, muss der Körper sie gut regulieren können. Dazu wird ständig der Bedarf an Glucose kontrolliert, um so wenig Energie wie möglich aufbringen zu müssen. Es gibt vielfältige Wege, bei denen unter anderem auch einzelne Enzyme gehemmt werden können. Die wichtigsten Mechanismen der Regulation der Gluconeogenese lernst du im Folgenden kennen.

Wenn die Glykolyse abläuft, werden die Stoffwechselwege der Gluconeogenese automatisch verringert und umgekehrt. Dabei können Substrate der Glykolyse beispielsweise Enzyme aus der Gluconeogenese hemmen. Hierbei handelt es sich um eine allosterische Hemmung der Enzyme bei der Gluconeogenese.

Glucagon steigert die Gluconeogenese und Insulin hemmt die Gluconeogenese. Insulin führt dazu, dass Glucose in die Zellen transportiert wird. Dort kann sie dann durch Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette zu ATP abgebaut werden. Glucagon bewirkt das Gegenteil. Es bewirkt, dass Glucose aus den Zellen in das Blut transportiert wird, damit der Blutglucosespiegel konstant bleibt.

Wenn beispielsweise viel ATP in der Zelle vorhanden ist, ist das ein Signal, dass die Glykolyse verringert wird und die Gluconeogenese vermehrt ablaufen kann. Das Verhältnis von ATP und ADP ist also auch ein Regulator der Gluconeogenese.