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.

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Die Gluconeogenese gehört zum Kohlenhydrat-Stoffwechsel und findet vor allem in der Leber und den Nieren statt. Dabei wird aus Lactat, Glycerol oder glucogenen Aminosäuren Glucose hergestellt und ins Blut abgegeben. Der Körper kann also auch aus Nicht-Kohlenhydraten Glucose herstellen.

    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.

    Glucogene Aminosäuren sind Aminosäuren, bei deren Abbau Substrate für die Gluconeogenese entstehen. Es gibt auch ketogene Aminosäuren. Deren Abbauprodukte werden für den Aufbau von Ketonkörpern benutzt.

    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.

    Sagt dir Oxalacetat schon etwas? Oxalacetat ist das Ausgangsprodukt des Citratzyklus. An diesem Beispiel siehst du, dass die Stoffwechselprozesse in unserem Körper stark miteinander vernetzt sind und ineinander überführt werden können. Wann welcher Stoffwechselweg durchgeführt werden soll, wird meistens durch Hormone gesteuert.

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

    Bei dieser Reaktion ist ein Coenzym beteiligt: Biotin. Andere Namen für das Vitamin Biotin sind Vitamin oder Vitamin H.

    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.

    Phosphoryl unterscheidet sich von dem Phosphat dadurch, dass ein Sauerstoffatom weniger als bei Phosphat gebunden ist.

    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.

    Bestimmt raucht dir schon der Kopf. Aber keine Sorge, du musst dir nicht alle Namen der Enzyme und Zwischenprodukte genauestens merken.

    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.

    Die Gluconeogenese läuft hauptsächlich in Leber und Niere ab, weil die Glucose-6-Phosphatase nur in Leber und Nierenzellen vorhanden ist.

    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.

    Allosterische Hemmung bedeutet, dass ein Enzym nicht nur eine Bindungsstelle hat und darüber gehemmt werden kann. Ein Hemmstoff kann an der zweiten Bindungsstelle binden und führt zur Strukturveränderung des Enzyms. Dadurch kann das Enzym sein Substrat nicht mehr binden und umsetzen.

    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.

    Gluconeogenese – Das Wichtigste

    • Die Gluconeogenese ist ein anaboler Stoffwechselweg. Er dient zur Aufrechterhaltung eines konstanten Blutglucosespiegels.

    • Bei der Gluconeogenese können Laktat, Glycerol und glucogene Aminosäuren zu Pyruvat umgewandelt werden. Pyruvat wird dann zum Aufbau von Glucose weiter verstoffwechselt.

    • Pyruvat ist das Ausgangsmolekül der Gluconeogenese.

    • Der Prozess der Gluconeogenese ähnelt dem der Glykolyse im umgekehrter Form. Es gibt aber wichtige Reaktionsschritte, die sich unterscheiden.

    • Die Gluconeogenese findet hauptsächlich im Cytosol bzw. Cytoplasma statt. Die Umwandlung in Glucose findet am glatten endoplasmatischen Retikulum statt.

    • Die Umwandlung von Oxalacetat in Malat und dessen Transport aus dem Mitochondrium ist ein großer Unterschied zur Glykolyse. Die Decarboxylierung von Oxalacetat in PEP ist ebenfalls ein entscheidender Unterschied. Die Dephosphorylierung von Fructose-1,6-Bisphosphat und die Umwandlung von Glucose-6-Phosphat zu Glucose kommen auch nur in der Gluconeogenese vor.

    • Bei der Gluconeogenese werden 4 Mol ATP, 2 Mol GTP und 2 Mol benötigt.

    • Die wichtigsten Regulationsmechanismen sind die gegenseitige Regulation von Glykolyse und Gluconeogenese, allosterische Hemmung von Enzymen der Gluconeogenese, die Regulation durch die Hormone Insulin und Glucagon und die Regulation durch das ATP/ADP-Verhältnis.

    Häufig gestellte Fragen zum Thema Gluconeogenese

    Wie funktioniert die Gluconeogenese?

    Bei der Gluconeogenese wird aus Pyruvat unter Energieaufwendung Glucose hergestellt. Die Reaktionen ähneln denen der Glykolyse, unterscheiden sich aber in wichtigen Punkten.

    Was hemmt die Gluconeogenese?

    Insulin hemmt die Gluconeogenese. Die Gluconeogenese wird auch gehemmt, indem einzelne Enzyme allosterisch gehemmt werden oder, wenn die Glykolyse vermehrt abläuft.

    Wann kommt es zur Gluconeogenese?

    Es kommt zur Gluconeogenese, wenn nicht mehr genügend Glucose vorhanden ist, um den Blutglucosespiegel aufrechtzuhalten. Das passiert beispielsweise im Schlaf oder wenn wir hungern.

    Wo läuft die Gluconeogenese ab?

    Die Gluconeogenese läuft zum kleinen Teil in den Mitochondrien, hauptsächlich aber im Cytoplasma ab. Der letzte Teil findet am glatten endoplasmatischen Retikulum statt.

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