Freitag, 15. März 2013

Input über Biochemie

Glycogenolyse und Stärkeabbau


Viel Spaß beim weiter mitlernen!

LG Renate



Biochemie und Pathobiochemie: Glycogenolyse und Stärkeabbau

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Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Die Stärke der Pflanzen (Amylose und Amylopectin) und das tierische Glycogen stellen die kompakte Speicherform der Glucose dar. Sie bestehen aus langen Ketten von 1,4-α-verbundenen Glucosemolekülen, die sich über zusätzliche 1,6-α-gebundene Glucose-Moleküle verzweigen.
In Leber und Muskel gebildetes Glycogen dient im Körper als schnell verfügbarer Energie- bzw. Glucosespeicher.
Glycogen und Stärke aus der Nahrung werden im Verdauungstrakt von Amylasen, Glucosidasen und Isomaltasen zerlegt und dienen als exogene Kohlenhydratquelle.

Abbau von Kettenverzweigungen

Substrat ( ⇑ ) Co. Enzym EC EG Erkr.

Glykogen.svg 1,6-verzweigtes [1,4-α-D-Glycosyl]n (Amylopectin, Glycogen)






R-Pfeil runter.svg

α-Glucantransferase
(debranching enzyme)
2.4.1.25 Tr GSD3 (Forbe, Cori)

Glykogenabbau1.svg [1,4-α-D-Glycosyl]n mit einem 1,6-gebundenen Glucosemolekül





H2O α-D-Glucose
R-Pfeil runter 1-3.svg

Amylo-1,6-Glucosidase
(debranching enzyme)
3.2.1.33 Hyd GSD3 (Forbe, Cori)

Glykogenabbau2.svg [1,4-α-D-Glycosyl]n mit einer Verzweigung weniger





Zuerst wird die Amylose-Kette durch die α-Glucantransferase vom 1,6-gebundenen Glucose-Molekül (der Verzweigungsstelle) auf eine andere (bereits gekürzte) Amylose-Kette übertragen, also von einer 1,4- zu einer 1,4-Bindung. Das nun freistehende 1,6-gebundene Glucose-Molekül kann dann im 2. Schritt von der Amylo-1,6-Glucosidase abgespalten werden.

Freisetzung von Glucosemolekülen aus der (unverzweigten) Glycogenkette

Tr. Kov. All. Substrat ( ⇑ ) Co. Enzym EC EG Erkr.



Poly-(1-4)-alpha-D-Glucose.svg
Glc-[1,4-α-D-Glycosyl]n-Glc
(Amylose, unverzweigtes Glycogen)






+ Phos- phory- lierung (Leber) + AMP
- ATP, G6P
Pi
Glc-[1,4-α-D- Glycosyl]n-1-Glc
R-Pfeil runter 1-3.svg
Pyrid- oxal- phos- phat

Glycogen-Phospho-rylase
2.4.1.1 Tr GSD5 (McArdle), GSD6 (Hers)



Alpha-D-Glucose-1-phosphat.svg α-D-Glucose-1-phosphat









GG-Pfeil senkrecht 1.svg

Phospho- glucomutase 5.4.2.2 Iso



Alpha-D-Glucose-6-phosphat2.svg α-D-Glucose-6-phosphat





+ cAMP
- Insulin


H2O Pi
R-Pfeil runter 1-3.svg

Glucose-6-Phosphatase 3.1.3.9 Hyd GSD1a (von Gierke)



Alpha-D-Glucopyranose.svg α-D-Glucose (Glc)





Die Freisetzung von Glucose-1-phosphat statt Glucose hat den Vorteil, dass die Glucose nicht erst wieder zum Glucose-6-phosphat mit ATP phosphoryliert werden muss, damit sie weiter verstoffwechselt werden kann. So kann ATP eingespart werden.

Glucoseabspaltung vom nicht-reduzierenden Kettenende her

Sukkzessive Abspaltung terminaler 1,4-gebundener α-D-Glucose-Reste vom nicht-reduzierenden Ende her.
Substrat Co. Enzym EC EG Erkr.

Poly-(1-4)-alpha-D-Glucose.svg Glycogen, Dextrin





H2O Glycogen/Dextrin
R-Pfeil runter 1-3.svg

Glucan-1,4-α-Glucosidase 3.2.1.3 Hyd
Beta-D-Glucopyranose.svg β-D-Glucose






GG-Pfeil senkrecht 1.svg

Aldose-1-Epimerase 5.1.3.3 Iso
Alpha-D-Glucopyranose.svg α-D-Glucose






R-Pfeil hoch 2-3.svg Oligosaccharid H2O

Lysosomale α-Glucosidase
(saure Maltase)
3.2.1.20 Hyd (GSD2) Pompe)

Intestinale Maltase-Glucoamylase

Poly-(1-4)-alpha-D-Glucose.svg Oligosaccharide, intestinal auch Polysaccharide





1,4-α-Spaltung von Stärke und Glycogen zu Dextrin durch Amylase im Verdauungstrakt

Subst. ( ⇑ ) Co. Enzym EC EG Erkr.

Poly-(1-4)-alpha-D-Glucose.svg [1,4-α-D-Glycosyl]n (Amylose)





H2O [1,4-α-D-Glycosyl]n
R-Pfeil runter 1-3.svg


α-Amylase
3.2.1.1 Hyd

Poly-(1-4)-alpha-D-Glucose.svg Mono-, Di-, Oligosaccharide, Dextrin





1,6-α-Spaltung von 1,6-α-Bindungen im Verdauungstrakt

Subst. ( ⇑ ) Co. Enzym EC EG Erkr.

Isomaltose.svg Isomaltose (oder Dextrin)





H2O α-D-Glucose (oder Dextrin)
R-Pfeil runter 1-3.svg

Isomaltase 3.2.1.10 Hyd

Alpha-D-Glucopyranose.svg α-D-Glucose





Eigenschaften von Glycogen und Stärke



Pflanzliche Stärke setzt sich aus Amylose und Amylopectin zusammen. Amylose besteht aus Ketten von 250-300 Glucosemolekülen, die (wie Maltose auch) 1,4-α-glycosidisch verbunden sind. Amylopectin enthält zusätzlich noch an etwa jeder 25. Glucose eine 1,6-α-gebundene Glucose, wo sich dann die Kette verzweigt. Tierisches Glycogen entspricht weitgehend dem Amylopectin, ist allerdings noch stärker verzweigt (alle 6-10 Glucosereste). Durch die Verzweigungen entstehen große Makromoleküle.
Im tierischen Organismus findet der Auf- und Abbau von Glycogen vorwiegend in der Leber und im Muskel statt.

Abbau der Verzweigungen beim Glycogenabbau in Leber und Muskel

Die Entfernung der Verzweigungen (Tab. 1) erfolgt, wenn durch die benachbarte Glycogenolyse die Verzweigungsstelle für die debranching-Enzyme zugänglich geworden ist. Dann kann die α-Glucantransferase angreifen und die 1,6-gebundene Kette bis auf das 1,6-gebundene Glucosemolekül 1,4-glycosidisch auf die andere Kette übertragen. Das einzelne 1,6-gebundene Glucosemolekül kann nach der Exponierung der 1,6-Bindung nun durch die Amylo-1,6-Glucosidase abgespalten werden.
     ____                                                         _
 ___/_         ->          ___/_____            ->             ________   
                         
       α-Glucantransferase             Amylo-1,6-Glucosidase  

Abbau der 1,6-Verzweigungen im Verdauungstrakt

α-1,6-glykosidische Bindungen werden im Dünndarm von der Isomaltase hydrolytisch gespalten (Tab. 5).

Abbau der Homopolysaccharidketten - 3 Varianten

     _ G1P                 _ Glc                       Bruchstücke  
_____ ______                ____________            ____ _ _____ ___ _
____________               _____________              ______________          
                                                                                     
Phosphorylase               Glucosidase                 α-Amylase 
Aus der unverzweigten Glucose-Kette werden in Leber und Muskel sukzessive einzelne Glucosemoleküle direkt als Glucose-1-phosphat (ATP-Ersparnis!) von der Glycogen-Phosphorylase herausgeschnitten (Tab. 2) oder sie können durch die Glucosidase vom nicht-reduzierenden Ende her als Glucosemoleküle abgespalten werden (Tab. 3).
Mit der Nahrung aufgenommene pflanzlichen Stärke und Glycogen werden im Mund und Dünndarm durch α-Amylase (Tab. 4) und im Dünndarm durch α-Glucosidasen (Maltase, Tab. 3) an der α-1,4-glykosidischen Bindung hydrolytisch gespalten. Die α-Amylase hat ihr Aktivitätsmaximum im alkalischen Milieu und ist besonders im Sekret von Speicheldrüsen und Pankreas enthalten. Verbleibende α-1,6-glykosidische Bindungen werden von der Isomaltase abgebaut (Tab. 5).

Glycogenhaushalt

Glycogen wird bezogen auf das Gewicht am stärksten in der Leber gespeichert. Glycogen stellt eine leicht verfügbare Glucosereserve dar. Die Leber ist für die Kohlenhydrate und Aminosäuren aus dem Verdauungstrakt, die über die Pfortader antransportiert werden, das erste Auffangbecken. Da wir unregelmäßig essen, Organe wie das Gehirn aber ständig Glucose brauchen wird der Blutglucosespiegel streng kontrolliert. Die Leber ist hier das zentrale Regulationsorgan, in dem sie Glucose als Glycogen speichert und sie bei Bedarf wieder freisetzt und auch über die Gluconeogenese neu bildet. Bezogen auf den Körpergesamtglycogengehalt findet sich das meiste Glycogen allerdings in der Skelettmuskelmasse. Der Skelettmuskel besitzt keine Glucose-6-Phosphatase-Aktivität und nutzt seine Glycogenspeicher daher nur für den Eigenbedarf (Glucose-6-phosphat kann die Zelle nicht verlassen).

Regulation

Das Schlüsselenzym der Glycogenolyse ist die Glycogen-Phosphorylase. Allosterisch aktiviert wird das Enzym durch AMP, welches Energiemangel signalisiert. Allosterische Hemmer sind entsprechend ATP und Glucose-6-phosphat.
Die Leber-Isoform des Enzyms kann auch durch Phosporylierung eines Serin-Restes aktiviert werden. Die Phosphorylierung erfolgt durch die Phosphorylase-Kinase, die ihrerseits durch Phosphorylierung oder Ca2+-Calmodulin aktiviert wird. Aktivierung heißt es kommt zu einer Konformationsänderung des Enzyms. Die Glycogenolyse in der Leber wird stimuliert durch Glucagon (aus den A-Zellen des Pankreas) und Katecholamine (Adrenalin aus dem Nebennierenmark), die beide über membranständige G-Protein-gekoppelte Rezeptoren die Adenylatcyclase aktivieren (-> cAMP-Anstieg), sowie durch Glucokortikoide (aus der Nebennierenrinde). Insulin (aus den B-Zellen des Pankreas) wirkt als Gegenspieler und bremst den Glycogenabbau.

Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin

Eine Erhöhung der α-Amylase im Serum kann auf eine Pankreatitis oder Sialadenitis hinweisen.

Pharmakologie

Acarbose.
Oral zugeführte α-Glucosidase-Hemmer wie die Acarbose hemmen im Dünndarm die Spaltung von Stärke in Glucose. Beim Diabetes mellitus Typ 2 können damit postprandiale Blutzuckerspitzen verhindert werden. Gastrointestinale Nebenwirkungen kommen durch die bakterielle Zersetzung der nicht resorbierten Kohlenhydrate im Dickdarm zustande.

Weblinks




Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate Hintergrundfarbe Reaktionspfeile „Schlüsselenzyme“
Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente CO2 / HCO3 C1-Reste Stickstoff
Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.: Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation, Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation, EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.

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